近日，我院计算物理与量子能源材料设计团队在过渡金属单原子催化剂促进Rh(111)表面上的催化生长动力学方面取得重要新进展，相关成果以《Catalytic kinetic growth of a half-metallic hexagonal boron nitride-graphene lateral heterostructure using transition metal single-atom catalysts on Rh(111)》为题，在线发表在国际知名期刊《Journal of Materials Chemistry A》上。论文第一作者为我院博士研究生朱艳迪同学，我院硕士研究生李维虎、任晓燕副教授和张丽丽副教授为共同作者，通讯作者为我院赵兴举研究员和李顺方教授。全文链接：https://doi.org/10.1039/D4TA05741D。
揭示原子级厚度石墨烯基横向异质结的精确催化生长机理是低维物理和材料领域的一大热点。本文基于第一性原理计算和大量筛选，发现沉积的过渡金属原子(TM = Mn、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta 和 W)，尤其是Mo，可作为单原子催化剂(SACs)在碳二聚体非优选的Rh(111)基底上有效促进C吸附原子在能量和动力学上的二聚化。同时，TM-SAC提高了氮化硼(BN)二聚体的稳定性，从而促进了六方氮化硼-石墨烯(h-BN-G)横向异质结的快速生长。
具体而言，以TM = Mo为典型例子，作者证明了Mo-C(BN)耦合削弱了C(BN)-基底相互作用，从而大幅降低了在Rh(111)上生长h-BN-G横向异质结初始阶段C和BN成核和迁移的动力学能垒。有趣的是，在C2二聚体作为原料的生长过程中，Mo-SAC可以动态地参与并迁移出h-BN-G界面。此外，Mo-SAC的存在可以有效地调节半金属性h-BN-G异质结的一维边界，即从C-N到C-B连接，后者可能具有更好的析氢催化性能。对于不同的边界而言，费米能级上的态密度主要由边界原子(C-N或C-B)的p轨道贡献，自旋密度图展现出相反的自旋态。由于电负性B<C<N，所以C-N和C-B两种边界分别建立了相反的内建电场，促进不同边界类型的h-BN-G异质结产生具有较大差异的半金属性。Mo-SAC的引入可能导致h-BN-G异质结构具有可调谐的电子结构和物理性质，例如在输运和自旋电子学领域。研究成果为二维(2D)横向异质结的可控催化生长提供了重要的新见解。
该工作得到了国家自然科学基金的支持。
过渡金属(TM = Mn, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta和W)作为单原子催化剂促进h-BN-G横向异质结构在碳二聚体非优选的Rh(111)基底上生长。
