利用可见光光催化水分解是一种有效的可持续能源转换和储存方法。然而，光催化水分解OER半反应动力学缓慢，限制了光催化反应的实际应用。二维半导体被用来研究促进光催化析氧反应(OER)，并且新发现的二维半导体MA₂Z₄(M =过渡金属，例如Mo、W；A= C、Si和Ge；Z=N、P和As)已显示出优异的光催化OER催化剂的特性。

近日，北京航空航天大学张千帆和刘晓鹏等提出了一种自动化的高通量方法来有效筛选MA₂Z₄光催化OER催化剂，并进一步揭示理论机理。

研究人员共选择了648种潜在的MA₂Z₄结构，包括由36种M、C/Si/Ge和N/P/As组成的β相和α相。由于M原子外层的电子排列，有73种MA₂Z₄是半导体：(n+1)s²nd²、(n+1)s¹nd⁵和ns²np²；当M原子和A原子的电负性较大而Z原子的电负性较小时，MA₂Z₄可以形成更强的MZ键，具有更大的带隙和更深的VBM和CBM位置。

只有35种具有足够强MZ键的MA₂Z₄具有合理的带隙以及VBM和CBM的位置，在这35种MA₂Z₄中，α-TiGe₂N₄、α-GeGe₂N₄、β-TiSi₂N₄和β-TiGe₂N₄因其结构不稳定而被淘汰。

其余31种MA₂Z₄的自由能演化主要集中在OH→O和O→OOH，它的自由能差E_ad(O)和另外12种具有合适E_ad(O)的MA₂Z₄可以完成基本的光催化OER过程。其中，α-MoC₂N₄、β-SnGe₂N₄、β-HfSi₂N₄和β-ZrSi₂N₄被证实由于它们的激子结合能小，更容易完成载流子分离。

此外，β-HfSi₂N₄和β-ZrSi₂N₄都具有快速的载流子迁移，因此它们将是光催化OER的优良催化剂。总的来说，该项工作筛选出了用于光催化OER的优秀MA₂Z₄催化剂并阐明了其内部机制，还通过自动化高通量方法构建了用于筛选新型二维半导体中光催化OER催化剂的完整框架。

Discovery of Efficient Visible-light Driven Oxygen Evolution Photocatalysts: Automated High-Throughput Computational Screening of MA₂Z₄. Advanced Functional Materials, 2022. DOI: 10.1002/adfm.202207415