Nat. Commun.:数据驱动寻找用于CO2还原的稳健、可合成光催化剂

【引言】

通过光催化将温室气体CO₂转化为碳氢化合物和乙醇等化学燃料，仍是可再生能源领域极具潜力的技术。有关CO₂还原电催化剂的主要进展均着眼于提高效率和产物选择性，除此之外，考虑到实现CO₂的低成本、大规模还原，还需要开发新的材料。

【成果简介】

近日，美国加州大学伯克利分校/劳伦斯伯克利国家实验室的Kristin A. Persson教授在Nature Communications上发表了题为“Robust and synthesizable photocatalysts for CO₂reduction: a data-driven materials discovery”的文章。文章利用68860种备选材料，使用基于第一性原理计算的筛选策略，来评估可用于燃料合成的材料的性质，包括可合成性、抗腐蚀性、可见光吸收率和电子结构适应性等。结果证明极少数材料符合CO₂光电极的要求。参考已有文献，该工作提出的符合要求的52种材料中，9种材料已用于CO₂还原的研究，其余43种材料还有待进一步研究。

【图文导读】

图1：光催化将CO2转化为化学燃料的示意图。

图2：根据筛选标准和满足标准的材料数量进行分层，结果如图所示。

图3：图中y轴为超过第6级的材料带边能量，x轴标签表示对应材料通式，括号里为材料事业（Materials Project）的材料编码。

【小结】

总的来说，作者建立了至今最大的探索性搜索，筛选范围多达68860种材料，寻找具有抗腐蚀性等本征特性、可用于CO₂还原光电极的目标材料。经识别得出的39种具有功能性的新材料，此前并未被报道。作者设计和应用了一种基于第一性原理计算数据库的计算筛选策略，先得到预筛选材料，再将这些材料的准确电子结构计算出来。在将筛选策略应用于已被报道过的光电极材料后，作者发现这一策略具有高度的材料优选性。预测得到的材料涵盖的范围极广，包括砷化物、碲化物、硒化物和氧化物，以及一些层状材料。这预示着在合金化、共催化剂或使用纵列式设计等多种形式的材料设计中都具有可实现性。虽然筛选策略侧重的是表面可还原CO₂的材料，筛选结果也适用于太阳能驱动水氧化/氢化产物或太阳能吸收物。因此，对于寻找可优化太阳能燃料产物的材料，该工作也可提供新的思路和途径。

文献链接：Robust and synthesizable photocatalysts for CO2 reduction: a data-driven materials discovery（Nat. Commun.，2019，DOI：10.1038/s41467-019-08356-1）

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