堿性電解水中的析氫反應（HER）動力學緩慢，調控催化劑的H*和OH*的吸附/解吸能力是提高HER活性的有效方法，然而依靠單一活性位點難以實現。
有鑒于此，中國石油大學（華東）趙聯明等人 通過將單個3d過渡金屬原子錨定BC2 N單層上(M@BC2N，M=Fe、Co和Ni），構建出用于堿性HER的雙活性位點，可以有效的提高HER活性。
計算方法
所有的自旋非限制計算采用的是 DMol3 模塊 ，并且使用含有Perdew Burke Ernzerhof（PBE）函數的廣義梯度近似（GGA）。還使用Grimme的PBE+D2方法來校正長距離色散力，計算結果的準確性與PBE0混合XC泛函（包括從頭計算范德華（vdW）校正）相當。
密度泛函半核贗勢被用來描述金屬原子的離子核，而價電子函數則用雙數值加極化（DNP）基組來描述?；贛onkhorst-Pack方法，采用6×6×1 k點網格對BC2 N模型布里淵區進行采樣。
在幾何優化過程中，能量的收斂標準為1×10-5 eV，力的收斂標準為2×10?2 eV ??1 ，位移的收斂標準為5×10?3 ?。使用LST/QST方法搜索過渡態（TS）結構，并通過頻率計算進行驗證結構的準確性。
具有六邊形晶格Z字形BC2 N由B?N和C?C鋸齒鏈的平行排列構成（圖1a）。與原始BC2 N相比，具有單個空位缺陷的BC2 N可以顯著提高單個金屬原子的穩定性，并且對BC2 N單層上所有可能的單空位（圖1a）進行了研究，其中包括硼空位（VB ）、氮空位（VN ）、與硼相鄰的碳空位（VC1 ）和與氮相鄰的碳空缺（VC2 ）。 如圖1b所示，在BC2 N不同缺陷位置處Fe、Co和Ni原子的形成能（ΔEf ）為?4.81~?6.42eV，表明缺陷BC2 N上單金屬原子具有高穩定性。 此外，在各種缺陷位點中，發現VB 缺陷位點是最穩定的M嵌入位點，ΔEf （Fe）=?5.53 eV，ΔEf （Co）=?5.81eV，和 ΔEf （Ni）=?6.42eV）。并且所有可能的吸附位點如圖1c所示。 在接下來的部分，作者主要對嵌入BC2 N VB 位置的Fe、Co和Ni(M@BC2N，M=Fe、Co和Ni）進行展開研究（圖2a）。 如圖2b所示，M和鄰位N區域顯示出明顯的電子耗盡（藍色），而相鄰的鄰位C顯示出明顯電子積聚（紅色），這與電荷轉移分析（電子從金屬原子轉移至C和N原子）非常一致。 此外，從自旋密度主要填充在M@BC2 N的金屬M及其周圍的C和N原子上（圖2c）。 如圖3所示，通過投影態密度（PDOS）圖進一步研究了M@BC2 N（M=Fe、Co和Ni）的電子結構。在費米能級上，M-d、C-p和N-p態形成了強共振峰，表明M與C和N的化學結合作用。 此外，隨著錨定M的原子序數的增加，M的d帶中心（εd ）和鄰位C的p帶中心（εp ）都逐漸接近費米能級：Fe@BC2 N (?2.23（εd ）/?5.62（εp ）eV）<Co@BC2 N (?2.01（εd ）/?5.58eV（εp ））<Ni@BC2 N (?1.56（εd ）/?5.53eV（εp ））。 圖4. H吸附自由能和p帶中心的關系，OH吸附自由能和d帶中心的關系 如有圖4a所示，M@BC2 N（M=Fe，Co和Ni）鄰位C的H*吸附能（ΔEads （H*））分別為?0.13, ?0.40，和?0.51 eV，，并且吸附能隨著鄰位C的p帶中心向上升動而線性增強。 同樣地，OH的吸附能也隨著金屬的d帶中心的上升而呈線性增強（圖4b）。 堿性HER的反應機理如圖5a所示, 其中包括Volmer、Heyrovsky和Tafel基元反應，分為Volmer-Tafel機理和Volmer-Heyrovsky機理。 從圖5b和5c中可以看出，在M@BC2 N上堿性HER反應中，Volmer步驟是速率確定步驟（RDS）。 對于M@BC2 N（M＝Fe，Co，Ni），RDS的活化能分別為0.52，0.46和0.35eV，表明M@BC2 N的HER活性按照以下順序增加Fe@BC2 N < Co@BC2 N< Ni@BC2 N。 圖6. 模擬的極化曲線，交換電流密度和活性描述符（RDS活化能壘，OH的吸附自由能和d帶中心）的關系 計算M@BC2N (M = Fe, Co, Ni)的塔菲爾極化曲線如圖6a所示 ，運用Bulter-Volmer方程進行擬合可以求得交換電流密度，為6.2×10?3 、4.3×10?2 和0.53 mA cm?2 。 再結合對圖6b，6c和6d進行分析，發現交換電流密度，RDS活化能壘，OH的吸附自由能和d帶中心是堿性HER的活性描述符。 形成了有效的M@BC2 N雙活性位點，即金屬中心M作為OH*活性位點，其相鄰的C原子作為H*活性位點。單M原子與BC2 N單層的結合可以有效地調節雙活性位點的電子結構，以優化H*和OH*的吸附，對應的HER活性序列為Fe@BC2 N < Co@BC2 N < Ni@BC2 N。并且HER交換電流密度Ni@BC2 N高達0.53 mA cm?2 ，表明其在堿性HER中潛力巨大。 Kong Weichao et.al Constructing dual active sites for efficient alkaline hydrogen evolution: single-metal-atoms supported on BC2 N monolayers PCCP 2022 https://doi.org/10.1039/D2CP04242H
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