近日，日本东北大学大学李昊教授团队基于第一性原理计算揭示了 ZrN 优异性能背后的活性起源，并提出了一个适用于分析过渡金属氮化物的微观机制的全新理论框架。该工作结合了表面态相图分析、外加电场模拟酸碱度效应以及先进的微观动力学模型。首先，作者在 ZrN(100) 表面上,依据水的解离平衡,进行了表面 Pourbaix 相图的分析,详尽计算了每一种氧 (O*) 或者氢氧基团 (HO*) 的覆盖的情况 (图 1)。研究发现, ZrN 在碱性 ORR 条件下的真实表面状态与我们通常认为的纯表面状态有显著的不同。在 0.8 V vs. RHE 的电位下, ZrN(100) 表面会被一层 (1 ML) 的 HO* 覆盖。这种高度氧化的表面与实验上观察到的氧化表面相一致。同时, 这也很好地解释了 ZrN 在碱性 ORR 条件下优异的稳定性，因为这些覆盖的 HO* 基团保护了晶格中的阳离子，使其在反应过程中不容易析出。随后作者在这个 1 ML HO*-ZrN (100)表面上进行了经典的热力学台阶图分析(图 2)。结果表明被覆盖之后的 ZrN 展现出了与纯的 ZrN 截然不同的活性：即使与 Pt/C 相比也毫不逊色。这个结论与之前报道的实验现象相一致。该成果以“Origin of the Superior Oxygen Reduction Activity of Zirconium Nitride in Alkaline Media”为题，发表在英国皇家化学会期刊 Chemical Science 上，被选为最新一期的Front Cover。

Origin of the superior oxygen reduction activity of zirconium nitride in alkaline media. Heng Liu, Di Zhang, Stuart M. Holmes,  Carmine D'Agostino*  and  Hao Li*. Chem. Sci., 2023,14, 9000-9009.

刘恒 博士研究生

英国曼彻斯特大学 2020 级博士研究生, 2020 年硕士毕业于中南大学,同年进入曼彻斯特大学化工学院. 随后于 2022 年十月以访问学生的身份加入日本东北大学李昊教授课题组, 研究方向为基于密度泛函理论的第一性原理计算及其在催化和材料研究中的应用。

李昊 教授

李昊，日本东北大学-材料科学高等研究所（WPI-AIMR）副教授、“数字催化实验室（DigCat）“ 负责人。李昊于 2019 年博士毕业于美国德克萨斯大学奥斯汀分校化学系及 Oden 科学与工程计算中心。2017 年在加州大学洛杉矶分校的纯粹与应用数学中心 (IPAM) 担任访问研究员。2020-2022 年初于丹麦科技大学物理系从事博士后工作，师从 Jens K. Nørskov 教授。李昊课题组主要从事催化和材料理论推导、理论计算方法及机器学习算法开发、新型催化剂设计。至今已在杂志发表论文 150 余篇，包含 Nature Catalysis、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、ACS Catalysis 等权威杂志。李昊曾获一系列国际奖项和荣誉，包括“表面科学青年学者”荣誉(2022 美国化学年会)、被美国化学工程师协会 (AIChE) 评为“年度最佳基础学科研究”。经由斯坦福大学和爱斯维尔出版社统计，入选 2021 及 2022 年度世界高被引学者。被世界知名高校及顶级会议邀请作报告 40 余次。