近日，我院计算物理与量子能源材料设计团队在二维范德华双层体系滑移催化设计和机理研究中取得重要进展，相关成果以“Sliding catalysis for ON-OFF switching of the hydrogen evolution reaction on two-dimensional van der Waals bilayers”为题，发表在国际知名物理类期刊《Physical Review Applied》上。郑州大学为第一单位，我院2022级博士研究生刘坤为第一作者，通讯作者为我院任晓燕副教授和李顺方教授。

铁电性是一种由电偶极矩自发排列导致的集体极化效应，并且其极化状态可被外部电场翻转。铁电材料在用于由铁电极化方向控制的选择性催化方面被寄予厚望。然而，在本征的铁电材料中，极性的切换依赖于离子位移，通常需要较大的外部电场和较高的能量成本来切换极性方向，从而限制了铁电催化的发展和应用。近年来涌现出的滑移铁电现象，即非极性二维材料通过双层范德华堆叠导致层间垂直电荷转移，诱发体系面外极化，且该极化方向可以通过克服较低的滑移势垒实现可逆切换。滑移铁电极大地节约翻转铁电方向所需能量，有望为解决上述问题提供有效方案。

本研究团队基于滑移铁电现象，采用第一性原理计算，通过堆叠非极性二维蜂窝状材料AB（AB=BN, BP, SiC, SnC, GeC, and GaN），构建了一系列具有面外极化的范德华双层同质结体系，以析氢反应（Hydrogen Evolution Reaction，HER）为例，研究了滑移铁电对催化的调控机理，并提出了“滑移催化（sliding catalysis）”的概念。研究发现体系通过克服较低的层间滑移势垒（5-25 meV），即可实现极化方向的切换。层间滑移导致的面外极化方向的切换可以显著地调节HER的催化活性。在催化反应过程中，双层范德华材料的上下两个表面表现出可调控的“Janus”催化性能，即一个表面具有较低的吉布斯自由能和决势步，具有较好的催化活性，而另一个表面的吉布斯自由能和决势步较高。进一步研究发现双层范德华材料的面外电偶极矩与吉布斯自由能和决势步存在相关性，即面外电偶极矩越大，HER中的吉布斯自由能和决势步越接近于零，催化性能越好，不同极性方向对HER的效果差异就越明显，表现出显著的开关效应，如图1所示。此外，考虑溶剂化效应，双层SnC上进行的HER的吉布斯自由能为0.054 eV，与目前HER性能最好的Pt基催化剂（-0.09 eV）相当。研究结果表明滑移催化机制具有广阔的发展前景，为开发和制备高效、尤其是高选择性的催化剂提供了重要的理论借鉴。

图1 滑移催化对HER催化反应“开关”机制示意图

该工作得到了国家自然科学基金的支持。

全文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevApplied.22.044061