首先介紹一下研究背景，總所周知，燃料電池是一種環境友好的能源轉化裝置 ，具有較高的能量轉換效率和低污染的特點，有規模化應用的前景，當前制約其發展的關鍵便是其陰極氧化還原反應的效率問題。

傳統的電催化材料 Pt 及其合金，具有良好的催化性能，但 Pt 類材料也有明顯的缺點，其中最主要的就是Pt高昂的價格與電極循環過程中的不穩定性。

尋找替代 Pt 的電極催化材料是一個提高燃料電池工作效率的思路。在以往的研究中，科學家在尋找 ORR 電極反應催化材料以替代價格高昂的 Pt 己經取代了一些進展。諸如新型石墨烯雜原子催化劑，二維結構的黑磷，但都有或多或少的問題。

GeS 及其衍生物具有類黑磷結構，且穩定性更優于黑磷，該文獻便集中對 GeS 及其衍生物進行 ORR 理論研究，探索其是否具有成為高效電極催化劑的潛力。

該研究使用的理論計算方法基于密度泛函理論，構建模型時采用導體屏蔽模型和標準氫電極模型，主要使用的軟件包是 Materials Studio。

實驗部分從以下五個方面逐步開展

GeS 及其衍生物的結構和電性質，文章基于電荷理論計算及分析，表明該材料可能作為 ORR 催化劑。

該材料對于氧氣分子的吸附解離，通過計算，得出氧氣分子結合該材料的最優幾何構型及其吸附能與解離能，可以看出其解離勢能在降低，故氧氣的吸附解離可正常進行。同時 SnS 由于其較低的結合能，發現在氧氣環境下不穩定，故不適合作為催化劑。

該材料對于 ORR 中間體的吸附，圖示為各個中間體與該材料的吸附構型以及其吸附能，可看出材料對于 CO 具有較低的吸附能，推測材料對于 CO 有更好的耐受性。同時文章通過模擬發現，GeS 在酸性介質中具有較高的穩定性，該催化反應可能為四電子路徑。

ORR 機制，圖示為在酸性環境下，兩種可能的催化機理，然后是通過兩種機理所計算的反應自由能變化，可看到反應自由能一直在降低，該催化反應在熱力學上可順利進行，同時可通過對比發現，直接過程的第一步反應自由能降大于非直接過程，故該反應機理可能為直接過程。

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超電勢的影響，文章計算了在酸性環境下各個物質的超電勢，可看出 GeS 的超電勢略高于 Pt ,具有可以接受的超電勢影響。

最后文章得出結論，二維的 GeS 成為高效催化劑的可能最大，由于其與氧氣較大的結合能，較低的氧氣解離勢壘和可接受的超電勢影響。同時文章在堿性環境下也做了類似的分析計算，發現它們在堿性環境下都可能作為催化劑。該文章對以后的相關實驗設計提供了前瞻性參考。

文獻信息：

Monolayer group IVA monochalcogenides as potential and efficient catalysts for the oxygen reduction reaction from first-principles calculations.Journal of Materials Chemistry,2017. DOI: 10.1039/c6ta08321h