湖南大学黄宏文教授团队《Adv. Funct. Mater.》综述：用于评价电催化反应的描述符 - d带理论及其他
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通过可再生电力驱动的电化学反应可以实现碳循环、氮循环以及氢循环的完美闭环，进而缓解人类社会面临的经济和能源危机，实现人类社会的持久繁荣。而用于链接材料物理化学性质和其催化性能的描述符可以作为催化剂理性设计的重要指导。关键中间体的吸附能可以通过不同描述符的变化得以优化。目前电催化反应中常用的描述符主要有：d带中心、氢中间体吸附能、配位数、键长等。近年来，研究者对基于描述符的电催化剂的优化策略进行了大量的研究和发掘工作，取得众多进展。
有鉴于此，近日，湖南大学材料科学与工程学院黄宏文教授、河南大学材料学院焦世龙博士在国际顶级期刊《Adv. Funct. Mater.》发表题为：“Descriptors for the Evaluation of Electrocatalytic Reactions: d-Band Theory and Beyond”的综述文章。河南大学材料学院焦世龙博士和河南大学纳米材料工程研究中心付现伟博士为共同第一作者，湖南大学材料科学与工程学院黄宏文教授为通讯作者。
在本篇综述中，我们对基于描述符的催化剂的优化策略进行了系统的总结。同时对这些催化剂应用于含C、H、N等元素的小分子的催化转化反应的近期进展进行了总结。首先我们对高效催化剂设计的相关背景进行了简要介绍。进而，以广泛应用于各种催化反应的d带中心为重点，对催化理论以及d带理论进行介绍。之后，我们系统总结了以d带中心作为主要描述符的催化剂的设计策略和近期进展。然后我们对目前应用于电催化反应的其他描述符进行了详细的总结和评价，最后，我们对该领域存在的挑战和机遇进行了展望。
图 1. 电催化可以实现碳循环、氮循环以及氢循环的完美闭环。
2020年9月22日，中国政府在第七十五届联合国大会上提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”通过可再生电力的驱动，电催化可以实现碳循环、氮循环以及氢循环的完美闭环，助力国家双碳战略。在此过程中，高效稳定的催化剂的设计和宏量制备显得尤为重要。
图 2. 异相催化的基础概念以及d带理论的基础。
从基础的催化角度来看，通过优化催化过程中的关键中间体的吸附能可以有效地实现催化反应动力学的加速。对于催化反应常用的过渡金属来说，其d轨道电子的中心位置的变化，可以有效地表示中间体与催化剂之间吸附能力的强弱。实际上，以费米能级为标准位置，d带中心向费米能级的移动预示着两者之间吸附能力的增强。相反地，当d带中心远离费米能级时，则表示两者之间吸附能的减小。因此，在理性设计催化剂的过程中，可以通过调节d带中心的位置实现对于关键中间体吸附能的精确调控，进而制备出符合现实要求的高效催化剂。
图 3. d带中心作为描述符广泛应用于各种催化剂的设计和制备。
对于碳循环、氮循环以及氢循环中常见小分子的催化转化过程，如析氢反应、析氧反应、氧气还原反应、CO2还原反应、N2还原反应等，d带中心可以作为一种有效地描述符，用于高效催化剂的设计和合成。
图 4. 调节d带中心的策略。
目前，研究者大多通过构建结构缺陷的方式实现过渡金属d带中心位置的优化。常见的策略有：掺杂、构建空位、单原子分散、应力工程、合金化、无定型化、晶相调节、构建异质结界面等方法。
图 5. d带中心作为描述符用于析氢反应催化剂的优化。
图 6. d带中心作为描述符用于析氧反应催化剂的优化。
图 7. d带中心作为描述符用于氧气还原反应催化剂的优化。
图 8. d带中心作为描述符用于CO2还原反应催化剂的优化。
图 9. d带中心作为描述符用于N2还原反应催化剂的优化。
d-带中心作为描述符，可以实现面向碳循环、氮循环以及氢循环中常见小分子的催化转化过程，如析氢反应、析氧反应、氧气还原反应、CO2还原反应、N2还原反应、硝酸盐还原、NH3氧化、乙醇/甲醇氧化等反应的催化剂性能的大幅提升。为合理设计高效催化剂提供有益的指导。
除此之外，我们还对应用于常见小分子电催化转换反应的描述符，如Projected Berry Phase (PBP)、ΔGH、化学键电负性、Δdp、MCUS、pH值、eg Occupancy、multieffect descriptor、路易斯酸碱性、活性位点密度、ΔECO等进行了简要介绍。
最后，我们对该领域存在的挑战和机遇进行了总结和展望，主要包含以下几点：
1. 描述符的变化和电催化剂的电催化性能优化之间的定量描述；
2. 发掘其他具有通用性的描述符；
3. 机器学习在发掘和预测描述符和电催化性能方面的应用；
4. 多维度描述符的开发和应用；
5. d带中心在其他领域（如光催化、电池等）的应用场景。
本工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金等的大力支持。
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湖南大学黄宏文课题组高薪诚聘博士后（待遇不低于27万/年）
一、研究方向
1）新型金属纳米晶的精准合成；
2）电化学反应器设计；
3）高效燃料电池催化剂；CO2电还原催化；小分子能源催化;有机电合成
二、导师介绍
黄宏文，男，1986年10月出生于湖北省黄冈市。2015年在浙江大学材料科学与工程学院获工学博士学位，师从叶志镇院士。期间赴美国佐治亚理工学院进行博士联合培养项目，师从夏幼南教授。现任湖南大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，湖湘青年英才、湖南省优青、湖南大学教师新人奖获得者。目前主要从事于能源转换技术中关于高效催化剂的研究，尤其关注氢燃料电池催化剂的开发。至今发表SCI学术论文57篇，其中包括在J. Am. Chem. Soc.（3篇），Angew. Chem. Int. Ed.（2篇），Nano Lett.（3篇），Adv. Mater.（1篇）, ACS Nano（1篇），Adv. Funct. Mater.（2篇）等际顶级学术期刊发表一作/通讯论文35篇；已授权国家发明专利6项；主持国家自然科学基金联合基金、湖湘青年英才、湖南省优青等研究项目7项；担任纳米领域重要期刊Nano Research的青年编委；担任国家自然科学基金评审专家以及J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等顶级期刊的审稿人。
课题组主页：http://huang-research-group.com/
附近年代表性论文，供参考：
1. H. Huang,* et al. Adv. Funct. Mater. 2021, 10.1002/adfm.202108991.
2. H. Huang,* et al. Adv. Funct. Mater. 2021, 10.1002/adfm.202107651.
3. H. Huang,* et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2021,60, 10942-10949.
4. H. Huang,* et al. Nano Lett. 2021, 21, 1003−1010.
5. H. Huang,* et al. Adv. Mater. 2021, 33, 2006494.6. H. Huang,* et al. Nano Lett., 2020, 201, 1403-1409.7. H. Huang,* et al. J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 18083-18090.8. H. Huang,* et al. Nano Lett., 2019, 19, 4029-4034.9. H. Huang,* et al. J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 16159-16167.
三、应聘条件
1）具有材料、物理、化学专业的博士学位；
2）具有独立的科研能力以及很好的英文写作能力；
3）性格开朗，善于沟通，事业心强，身体健康，年龄35周岁以下。
4）具有严谨的科研态度和良好的团队协作精神，工作勤奋踏实。
四、聘期待遇
1）全职博士后薪资待遇由基础待遇和课题组补贴构成，分为以下两类：
特别资助类：30万元/年+住房补贴2.16万/年+上沙市人才补贴9万+基金/科研奖励。要求入选“博士后创新人才支持计划”或“博士后国际交流计划”(引进项目)，入选者资助期内享受上述待遇。
重点资助类：23万元/年+住房补贴2.16万/年+湖南省人才补贴3万+基金/科研奖励。要求至少符合以下条件之一：
1. 博士毕业于arwu世界大学学术排名前100的海外（境外）高校或国际知名科研机构、国内双一流高校或a-及以上学科；
2. 在海外（境外）知名高校取得博士学位的非华裔人员；
3. 博士期间以第一作者或通讯作者发表本学科领域高水平研究论文（高被引或 if>10、sci一区期刊）2篇，或取得相当水平学术成果。
4. 全职博士后在站期间计算工作年限从进站之日起计算，博士后期间经评审后可认定为副研究员。在站期间成果丰富，入选湖南大学“杰出博士后奖”(每年评选一次)者，可直接申请副教授岗位。
5. 课题组协助申请博士后科学基金、国家自然科学基金及省市各级课题。
6. 全职博士后在站期间，学校提供博士后公寓或租房补贴，其子女享受我校教职工子女入托、入学待遇。
7. 博士后出站后，业绩优秀者可以续聘，或根据工作意愿推荐到其他单位。
五、应聘者请提供以下材料：
1）个人简历；
2）反映本人学术水平的2篇代表作。黄老师待人真诚，对科研有激情，在科研一线亲自指导学生，帮助学生提高科研能力。有意者欢迎联系湖南大学材料学院黄宏文教授。
黄宏文教授邮箱：huanghw@hnu.edu.cn。
相关链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107651
相关进展
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