摘要
随着全球工业化的迅猛发展，化石能源燃料的大量消耗以及燃烧产物对环境的破坏日益严重，开发可持续的、清洁的新能源引起人们的高度重视。其中氢能由于能量密度高、零碳排放的优点在目前开发的各种新能源中脱颖而出。与此同时，像氢氧燃料电池等先进高效的能量转化装置也逐渐成为研究热点。然而，当前燃料电池阴极发生的氧还原反应 (ORR) 由于动力学缓慢而极大地限制了转化效率，从而严重影响了其大规模应用。因此，开发廉价易得、高催化活性的新型ORR催化剂至关重要。 由于理论计算化学的日益完善，密度泛函理论 (DFT) 结合高性能计算机技术在寻找新型催化剂方面发挥着越来越重要的作用。本工作中，我们基于DFT计算，系统地研究了二维非贵金属ZrSiSe单层的结构、稳定性和ORR催化活性。发现二维ZrSiSe单层可以通过从具有层状堆叠的体相结构中剥离获得。其具有优异的动力学、热力学、机械稳定性，以及良好的导电性能，这对材料的ORR催化性能是十分有利的。进一步研究表明该体系能表现出优异的ORR催化性能，其过电位仅为0.33V，并具有良好的四电子选择性。此外，我们还通过掺杂过渡金属原子不但保持了体系低的过电势，还有效改善了表面捕捉氧气的能力，并进一步提高了反应过程中四电子还原路径的选择性，更有效地防止了副产物H2O2的形成。 总之，这项工作能为基于二维纳米体系的新型廉价高效ORR电催化剂的设计和后续的实验研究提供有价值的理论依据。
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