Промышленное производство
Промышленный Интернет вещей | Промышленные материалы | Техническое обслуживание и ремонт оборудования | Промышленное программирование |
home  MfgRobots >> Промышленное производство >  >> Industrial materials >> Наноматериалы

Дефект и допирование Разработанный пента-графен для катализа реакции выделения водорода

Аннотация

Электролиз воды - это устойчивый и чистый метод производства водородного топлива посредством реакции выделения водорода (HER). Использование стабильных, эффективных и недорогих электрокатализаторов для HER для замены дорогих благородных металлов весьма желательно. В этой статье, используя расчет из первых принципов, мы разработали дефект и пента-графен (PG), легированный N, S, P, в качестве двумерного (2D) электрокатализатора для HER, а также его стабильность, электронные свойства и каталитические характеристики были исследованы. Свободная энергия Гиббса (Δ G H ), который является лучшим дескриптором для HER, рассчитывается и оптимизируется, результаты расчетов показывают, что Δ G H может быть 0 эВ с вакансиями C2 и легированием P на активных центрах C1, что должно быть оптимальной производительностью для катализатора HER. Более того, мы обнаружили, что чем больше заряд переносится от PG к H, тем ближе Δ G H равна нулю согласно расчету разности зарядов электронов и анализу зарядов Бейдера. В конечном итоге мы продемонстрировали, что в данном исследовании HER-характеристика предпочитает механизм Фольмера – Гейровского.

Фон

Из-за изменения климата и загрязнения окружающей среды, вызванного использованием ископаемого топлива, использование и использование чистой и возобновляемой энергии является средним путем в настоящее время [1,2,3,4]. Как чистый, возобновляемый и экологически чистый источник энергии водород (H 2 ) привлекает значительное внимание для удовлетворения будущих потребностей человека в энергии [5, 6]. Электролиз воды - устойчивый и чистый метод производства H 2 , а электрокатализаторы могут заметно повысить эффективность расщепления воды [7, 8]. Для реакции выделения водорода (HER) наноматериалы на основе платины считаются лучшими электрокатализаторами из-за небольшого тафелевского наклона, низкого перенапряжения и слегка отрицательной свободной энергии Гиббса (Δ G H ) и высокой плотностью обменного тока [9, 10], но дефицит и высокая стоимость препятствуют их промышленному применению [11]. Следовательно, разработка эффективных, доступных на Земле и недорогих электрокатализаторов имеет важное значение для HER [12,13,14].

Фактически, широкий спектр распространенных на Земле электрокатализаторов был изучен и разработан для HER [15,16,17]. Среди этих материалов двумерные (2D) наноматериалы предоставляют новые возможности для HER из-за убедительных структурных и электронных свойств. На сегодняшний день дихалькогениды переходных металлов (ДПМ) и материалы на основе графена являются самой большой и наиболее интенсивно изучаемой группой 2D-электрокатализаторов для HER [18,19,20,21,22,23]. Катализаторы TMDs HER имеют низкое перенапряжение и небольшой тафелевский наклон, необычные электронные свойства и высокую стабильность на воздухе, демонстрируют высокие характеристики HER, и для улучшения их каталитических характеристик были применены различные методы [24, 25]. HER-катализаторы на основе графена привлекают значительное внимание и постоянные исследования из-за их отличительных структурных достоинств, таких как высокая электропроводность, большая площадь поверхности и хорошая химическая стабильность [26, 27]. Для повышения каталитической активности использовались многие методы, такие как легирование гетероатомом и инженерия дефектов [28, 29]. Между тем, интенсивные исследования других новых двумерных аллотропов углерода, таких как графдин [30] и пента-графен (PG) [31], также были развиты. Как двумерный углеродный аллотроп, PG состоит только из углеродных пятиугольников и наследует многие исключительные свойства двумерных материалов, такие как конечная электронная запрещенная зона, большое количество активных центров и большая площадь поверхности, поэтому ожидается, что он станет универсальным материалом с большим потенциалом. приложения, подобные другим 2D-материалам на основе графена [32,33,34,35]. Поскольку есть применения только для адсорбции газов [36,37,38], H 2 хранение [39, 40], анодные материалы в настоящее время [41, 42], ни одного отчета по заявке в HER не обнаружено. Таким образом, исследования HER, проводимые PG, имеют большое значение и не только заполняют такой пробел, но и расширяют сферу применения катализаторов HER на основе графена. Однако обнаружено, что чистый PG инертен для HER с относительно большим Δ G H , что означает, что адсорбция водорода затруднена и ингибирует HER. Это похоже на проблемы, с которыми сталкивается чистый графен (Δ G H =1,85 эВ [43]). Легирование гетероатомами материалов на основе графена может регулировать их электронные и каталитические свойства, что делает их перспективными катализаторами для практического применения [3]. Таким образом, нам удалось настроить каталитическую активность PG с помощью легирования гетероатомами [44,45,46] и инженерии дефектов [47, 48].

В этой статье, используя расчет из первых принципов, мы разработали и продемонстрировали дефект и PG, легированные N, S, P, исследовали их стабильность и электронные свойства, а также оценили их характеристики в качестве электрокатализаторов HER. Наши результаты показывают, что дефект и допированный PG, очевидно, могут усиливать каталитическую активность в отношении HER по сравнению с исходным PG. Также показано, что Δ G H может быть 0 эВ с вакансиями C2 и легированием P на активных центрах C1, что должно быть оптимальной производительностью для HER-катализатора, поэтому PG, легированный P, имеет оптимальное Δ G H и энергетический барьер активации для этапа определения скорости среди трех аналогов, и он демонстрирует более благоприятные характеристики. Мы также показываем, что каталитическая активность возникает из-за включенных легирующих атомов, которые могут обеспечивать эффективный путь переноса заряда во время электролиза, что приводит к снижению Δ G H . Мы также демонстрируем, что механизм Фольмера-Гейровского более предпочтителен для HER на дефектных и легированных PG. Мы сравнили наши результаты с результатами других исследователей графена, и можно было обнаружить, что дефектоскопия и легирование более эффективны для PG в катализе HER. Таким образом, наши усилия по устранению дефектных и легированных PG делают его многообещающим электрокатализатором для HER, а наши результаты обеспечивают глубокое понимание в разработке эффективных и долговечных электрокатализаторов. Этот метод также можно применить к другим материалам на основе графена.

Вычислительные методы

Наши расчеты из первых принципов были выполнены с использованием пакета Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) [49]. Спроецированные потенциалы расширенной волны (PAW) использовались для анализа взаимодействий между остовными электронами и валентными электронами [50,51,52]. Электронно-обменно-корреляционные взаимодействия описывались с помощью функционала Пердью – Берка – Эрнцерхофа (PBE) в рамках приближения обобщенного градиента (GGA) [53]. Обменно-корреляционный функционал DFT-D3 был введен при оптимизации структуры для учета ван-дер-ваальсова взаимодействия. Вакуумное пространство вдоль z -направление было установлено на 20 Å, чтобы исключить взаимодействие между PG и его периодическими изображениями.

Энергетическая граница плоской волны была установлена ​​на уровне 500 эВ. Критерий сходимости был установлен как 10 −5 . эВ для полной энергии. Все положения атомов и структуры решетки были полностью релаксированы с порогом максимальной силы 0,02 эВ Å −1 . Для обеспечения точности и эффективности расчета после проверки сходимости для всех рассмотренных структур использовалась гамма-центрированная k-точечная сетка с методом Монкхорста – Пака 5 × 5 × 1 [54]. Величину переноса заряда между атомами C и атомами H рассчитывали с помощью кода Бадера [55]. Мы также рассчитали энергетические барьеры адсорбции H * с использованием метода эластичной ленты с восходящим движением изображения (CI-NEB) [56, 57]. CI-NEB - это эффективный метод определения пути минимальной энергии и седловых точек между заданным начальным и конечным положением [58,59,60], и в наших расчетах CI-NEB начальная и конечная структуры были полностью оптимизированы.

Энергия адсорбции (Δ E H ) определяется как

$$ \ Delta E _ {{\ text {H}}} =E (* {\ text {H}}) - E (*) - \ frac {1} {2} E ({\ text {H}} _ {2}) $$

где E (* H) и E (*) - полная энергия структур с адсорбцией и без адсорбции водорода соответственно, и E (H 2 ) - полная энергия H 2 молекула. ​​

Свободная энергия Гиббса (Δ G H ) определяется как:

$$ \ Delta G _ {{\ text {H}}} =\ Delta E _ {{\ text {H}}} + \ Delta E _ {{{\ text {ZPE}}}} - T \ Delta S _ {{\ текст {H}}} $$

где Δ E H - энергия адсорбции, Δ E ZPE - разница в нулевой энергии, T - температура (298,15 К) и Δ S H представляет собой разность энтропии адсорбированного H и H в газовой фазе. Мы аппроксимировали энтропию адсорбции водорода как \ (\ Delta S _ {{\ text {H}}} \ приблизительно \ frac {1} {2} (S _ {{{\ text {H}} _ {2}}} ^ {\ circ}) \), где \ (S _ {{{\ text {H}} _ {2}}} ^ {\ circ} \) - энтропия газовой фазы H 2 при стандартных условиях, T Δ S H после расчетов в этом исследовании было установлено равным -0,202 эВ.

Результаты и обсуждение

Структура и каталитическая активность дефекта и легированного PG

Оптимизированная структура PG показана на рис. 1. Для удобства обсуждения мы далее сгруппируем теги sp 3– и sp 2– гибридизированные атомы C как C1 и C2 соответственно. Расстояние между C1 и C2 составляет 1,55 Å, а длина связи C2 – C2 - 1,34 Å, что согласуется с экспериментальным результатом [31].

а Вверху и b виды сбоку на оптимизированную структуру PG. Черный пунктирный прямоугольник указывает на элементарную ячейку, синие пунктирные круги указывают на две позиции C-вакансии, красные пунктирные кружки указывают на места легирования, используемые в этой статье

Вначале мы сначала исследовали сайты C1 и C2 в базисной плоскости первичного PG на предмет HER, рассчитав Δ G H значения составляют 2,43 эВ и 2,72 эВ соответственно. Итак, наши расчеты показывают, что чистый PG оказывается инертным для HER с относительно большим Δ G H H, что означает, что адсорбция водорода затруднена и HER ингибируется. Таким образом, нам удалось использовать некоторые методы для настройки каталитической активности PG. Мы исследовали возможные активные центры для легирования, а также исследовали активные центры для C1 и C2 с легированием N, S, P соответственно. Результаты расчетов показывают, что нельзя добиться очевидного улучшения HER, если бы была введена только технология легирования. В случае структуры с примесью фосфора расчетное Δ G H Значения сайтов C1 и C2 составляют 1,24 эВ и 1,40 эВ соответственно. Предварительно мы исследовали дефект PG с вакансиями C. Результаты расчетов показывают, что структура вакансии C1 не может улучшить характеристики HER, но структура вакансии C2 может уменьшить Δ G H очевидно, поэтому в данной работе мы используем структуру вакансии C2. Оптимизированные конструкции с V C-UP и V C-DOWN Узлы вакансий C2 показаны на рис. 2, вакансионные дефекты создаются путем удаления атомов C2 из C 2-UP или C 2-DOWN сайт в 24-атомной суперячейке. Расчетное Δ G H значения показаны в таблице 1, где C1 и C2 - активные центры адсорбции водорода.

Оптимизированные структуры PG с двумя различными сайтами вакансий C2. а V C-UP C2 сайт вакансии, b V C-ВНИЗ C2 сайт вакансий

Хотя наши расчеты подтверждают, что вакансии C2 эффективны для увеличения активности HER, PG со структурой вакансий C2 еще не является оптимальным для катализатора HER. Таким образом, мы дополнительно исследовали дефект и допировали PG на HER. Мы использовали PG с вакансией C2 в качестве исходной структуры, которая показана на рис. 2, а затем исследовали все различные возможные активные центры с легированием N, S, P, включая C1, C 2-UP и C 2-DOWN места. В результате мы обнаружили, что лучшие характеристики HER могут быть достигнуты с помощью комбинации вакансии C2 и легирования гетероатомом. Мы исследовали все возможные структуры, и результаты показали, что есть две структуры, которые могут обеспечить лучшую производительность HER, одна структура представляет собой комбинацию C 2-UP легирование вакансий и гетероатомов в C 2-DOWN сайт, а другой представляет собой комбинацию C 2-DOWN легирование вакансий и гетероатомов в C 2-UP сайт. Итак, мы сосредоточились на этих двух структурах и обнаружили, что они могут сдвигать Δ G H значения ближе к нулю. Оптимизированные структуры показаны на рис. 3, а рассчитанные длины связей приведены в таблице 2.

Оптимизированные структуры для дефекта и легированного PG с двумя разными сайтами вакансий C2, a V C-UP N-легированный, b V С-ВНИЗ N-легированный, c V C-UP S-легированный, d V C-ВНИЗ S-легированный, e V C-UP P-легированный, f V C-ВНИЗ Если активирован P, синие пунктирные кружки указывают возможные активные центры выделения водорода

Мы можем видеть, что существует небольшая разница между соответствующими длинами связи PG, легированного N, и чистого PG. Из-за большого радиуса атомов S и P эти две структуры подвергаются гораздо большему искажению, но обе могут поддерживать структуру PG.

Для исследования стабильности PG с вакансией C2 и легированием гетероатомом мы рассчитали энергию образования, которая определяется как

$$ E _ {{\ text {f}}} =\ left ({E _ {{\ text {t}}} - E _ {{\ text {V}}} + E _ {{\ text {C}}} - E _ {{\ text {d}}} - \ frac {1} {2} \ mu _ {{\ text {H}}}} \ right) $$

где E t - полная энергия дефектной и легированной системы, а E V - энергия вакансии C2 PG, E C - средняя энергия на атом углерода первичного PG, E d - энергия легирующих атомов, \ (\ mu _ {{\ text {H}}} \) берется из полной энергии H 2 молекула соответственно. Один из наших результатов расчета энергий образования двух предыдущих структур с активными центрами C1 для HER показан на рис. 4. Мы можем видеть, что отрицательные энергии образования указывают на энергетически выгодный и возможный дефект и PG, легированный S-, P. Точно так же E f значения N-легированных структур с активными центрами для HER все положительны. Мы исследовали все возможные активные центры и получили результаты, аналогичные показанным на рис. 4, поэтому мы будем исследовать только PG, легированные S и P. Согласно определению, более отрицательный E f Это значение указывает на более высокую стабильность структуры, поэтому PG, легированный фтором, обладает отличной стабильностью, а также хорошими характеристиками HER.

Энергия образования двух исходных дефектных и легированных структур PG с активными центрами C1 для HER, более отрицательное значение указывает на более высокую стабильность структуры

Источник каталитической активности HER

DOS и Band Structures

Чтобы достичь глубокого понимания природы вакансии C2 и легирования в активности HER, мы исследовали полную и прогнозируемую плотность состояний, электронную зонную структуру дефекта и PG, легированные S, P. На рисунке 5 показан один из наших результатов расчета электронных зонных структур, полной и прогнозируемой DOS первичного PG, V C-UP , V C-UP S-легированный и V C-UP PG, легированный фосфором.

Электронная зонная структура, полная и прогнозируемая плотность состояний дефекта и легированного ПГ. а Безупречный PG, b V C-UP C2 сайт вакансии, c V C-UP S-легированные и d V C-UP P-легированные соответственно. Структуры c и d как показано на рис. 3. Они рассчитаны с использованием функционала PBE, уровень Ферми сдвинут на 0,00 эВ

Из рисунка видно, что при введении вакансии C2 в запрещенной зоне вблизи уровня Ферми появляются новые дефектные состояния, выделенные красными кривыми. Очевидно, эти новые состояния возникают из-за вакансии C2. Кроме того, когда вводится легирование гетероатомом S, P, ширина запрещенной зоны сужается (с 2,22 эВ [31] до 0,37 эВ) и увеличивается количество новых дефектных состояний вблизи уровня Ферми, что, возможно, может улучшить адсорбционную силу H *.

Однако мы обнаружили, что DOS V C-UP вблизи уровня Ферми намного больше, чем у чистых PG. Кроме того, электронная плотность вблизи уровня Ферми вакансии C2 и PG, легированного S-, P, дополнительно увеличивается по сравнению с исходным PG. Мы также обнаружили, что орбитали S 3p и P 3p подвергаются значительной гибридизации с состояниями C1 и C2, что приводит к сильным взаимодействиям между гетероатомами и C и образованию связей S – C и P – C. Эти результаты демонстрируют, что комбинация допирования вакансией C2 и гетероатомами S, P может быть лучшей технологией для улучшения активности HER.

Разница в плотности электронов и перенос заряда

Кроме того, для изучения связывающего взаимодействия между атомом H и PG мы рассчитали разницу в плотности заряда электронов для дефектных и S-, P-легированных PG с разными активными центрами выделения водорода. Один из наших результатов расчета разности зарядов электронов и анализ зарядов Бейдера для C 2-DOWN вакансия и PG с примесью фосфора с H *, адсорбированным на различных активных центрах адсорбции водорода, показаны на рис. 6. Желтый и синий цвета представляют накопление и восстановление заряда, соответственно. Показано, что электроны накапливаются вокруг атомов H и восстанавливаются вокруг атомов C, которые связаны с атомами H, что указывает на перенос заряда от PG к H *. Перенос заряда также подтверждается анализом начислений Bader. Результаты расчетов показывают, что 0,18, 0,04, 0,02 и 0,01 электронов передаются H * в C1, C 2-DOWN , C 2-ВНИЗ (n) и C 2-UP сайты соответственно. Далее мы показываем, что чем больше заряд переносится от PG к H *, тем ближе Δ G H равно нулю, что означает оптимальную производительность для HER-катализатора, как показано на рис. 7. Из рис. 6 видно, что электроны переносятся от PG к H *, что приводит к увеличению плотности заряда связей, это означает, что стабилизация H * -частиц в работе HER может происходить из-за повышенной плотности заряда атомов C, легированных P, что указывает на то, что атомы P по своей природе более выгодны при взаимодействии с атомами H, чем атомы C. Мы также заметили, что H * поглощается на C вместо P, что указывает на то, что повышенная плотность заряда может вносить вклад в электрокатализатор на атоме H. Таким образом, наши расчеты показывают, что легирование P в PG может привести к усиленной адсорбции H * на атомах C. Как упоминалось выше, расчеты DFT также показали, что легирование P в PG может намного более эффективно усиливать активность HER, чем активность S-легирования.

Вид сверху на разницу плотностей зарядов электронов и анализ зарядов Бейдера для C 2-DOWN вакансия и PG, легированный P с адсорбированным H на a C1, b C 2-ВНИЗ , c C 2-ВНИЗ n и d C 2-UP места. Уровень изоповерхности составляет 0,004 э / Бор 3 . . Желтый и синий цвета обозначают накопление и уменьшение заряда соответственно

Связь между Δ G H и анализ затрат Бадера за а V C-UP S-легированный, V C-UP P-легированный и b V C-ВНИЗ S-легированный, V C-DOWN Р-легированные структуры. Δ G H значения и активные сайты показаны в таблице 3

Активность дефекта и допированного PG в отношении НЕЙ

Свободные энергии Гиббса ЕЕ

Δ G H является важным дескриптором HER для различных электрокатализаторов, оптимальное Δ G H Значение для электрокатализатора равно нулю, поэтому адсорбция и десорбция H * могут происходить самопроизвольно без активационного энергетического барьера [61, 62]. Чтобы оценить HER-активность PG и исследовать дефект и допинг-инжиниринг, мы рассчитали Δ G H ЕЕ. Один из наших результатов расчета Δ G H Координата реакции HER для PG показана на рис. 8, где C1 и C2 в скобках являются активными центрами адсорбции водорода.

Зависимость свободной энергии Гиббса от координаты реакции HER для PG, где C1 и C2 в скобках являются активными центрами адсорбции водорода

Наши расчеты показывают, что чистый PG оказывается инертным для HER с относительно большой свободной энергией Гиббса H * (Δ G H =2,72 эВ (C2), Δ G H =2,43 эВ (C1)). Когда вакансии вводятся, есть два разных места вакансии C, место вакансии C1 и место вакансии C2. Мы рассчитали Δ G H на двух сайтах и ​​обнаружили, что вакансия C2 может заметно уменьшить Δ G H G H =0,24 эВ), что свидетельствует о преимущественной адсорбции H * на вакансионных структурах C2. Оптимизированные структуры с сайтами вакансий C2 (V C-UP и V C-DOWN ) показаны на рис. 2. Хотя вакансии C2 показывают значительное улучшение по сравнению с исходным PG, они все еще не оптимальны для адсорбции водорода, поэтому исследуются технологии легирования для улучшения характеристик HER. Мы показываем наши эффекты вакансий C2 и легирования гетероатомами S, P на активность HER и оптимизируем характеристики HER. Δ G H значения приведены в таблице 3, а активные центры выделения водорода показаны на рис. 3.

Результаты расчетов показывают, что Δ G H значительно уменьшается, демонстрируя, что инженерия отказа и легирования очень эффективны в снижении Δ G H . Примечательно, что мы обнаружили, что Δ G H значения активных сайтов C1, C 2-UP и C 2-UP (n) для V C-UP , активные сайты C1, C 2-DOWN и C 2-DOWN (n) для V C-DOWN очень близки к нулю, особенно для двух сайтов C1, что означает возможность достижения оптимальных условий, которые значительно превосходят исходный PG. И мы сравнили наши результаты с предыдущими работами других исследователей графена, например, графена с вакансией C (Δ G H =- 2,108 эВ) [28], графен с примесью азота (Δ G H =- 0,693 эВ) [28], графен с вакансией C и легированный N (Δ G H =- 0,595 эВ) [28], графен с S-легированным (Δ G H =- 0,30 эВ) [29] и графен с со-легированием N / S (Δ G H =- 0,12 эВ) [29]. Мы можем обнаружить, что дезертирство и допинг-инженерия более эффективны для PG. Таким образом, наши результаты ясно показывают, что Δ G H PG можно манипулировать, применяя дезертирство и допинг-инжиниринг для достижения оптимальной активности HER.

Пути реакции дефектного и допированного PG

HER протекает в многоэтапном электрохимическом процессе по одному из двух путей, известных как механизмы Фольмера – Тафеля и Фольмера – Гейровского. Первым этапом HER является адсорбция H * на поверхности электрокатализатора (т.е. реакция Фольмера), которая описывается H + + E - → H *. Затем H * объединяется с H + и электрон (e - ), чтобы сформировать H 2 молекула, известная как ступень Гейровского, которая описывается H * + H + + E - → H 2 . В качестве альтернативы H 2 Молекула может быть образована через стадию Тафеля, то есть комбинацию двух H * на поверхности электрокатализатора, которая описывается как 2H * → H 2 [63].

Изучить влияние инженерии дефекта и допинга на PG и дополнительно понять механизм превосходной активности HER, энергетические барьеры реакций Тафеля и Гейровского с C 2-UP и C 2-DOWN были рассчитаны вакансии, S-, P-легированные PG для позиции C1. Начальное состояние (IS), конечное состояние (FS) и переходное состояние (TS) показаны на рис. 9 с соответствующими энергетическими барьерами. Для реакции Тафеля рекомбинация 2H * показывает энергетические барьеры 1,51 эВ (легирование S) и 1,32 эВ (легирование P), соответственно. В то время как выпуск H 2 Молекула в реакции Гейровского, участвующая в реакции протона с адсорбированным H *, должна преодолеть энергетический барьер 1,01 эВ (легированный S), 0,99 эВ (легированный P), соответственно. Результаты показывают, что энергетические барьеры реакции Тафеля значительно выше, чем у реакции Гейровского. Таким образом, HER на дефектных и легированных PG предпочитает механизм Фольмера – Гейровского.

Схематические пути для HER. Энергетические профили реакций Тафеля и Гейровского с a C 2-UP вакансия и PG, легированные S, b C 2-ВНИЗ вакансия и PG, легированные S, c C 2-UP вакансия и PG, легированные P, d C 2-ВНИЗ вакансия и ПГ, легированные фосфором. Начальное состояние (IS), переходное состояние (TS) и конечное состояние (FS) указаны на диаграмме с соответствующими энергетическими барьерами

Выводы

Мы теоретически разработали C-вакансию и PG, легированные N, S, P, и систематически исследовали их стабильность и уникальную роль электрокатализатора в отношении HER. Мы находим, что дезертирство и допинг-инжиниринг обладают превосходными характеристиками HER по сравнению с чистым PG. Важно отметить, что оптимальная активность HER может быть достигнута с помощью вакансий C2 и легирования гетероатомов S, P, что указывает на то, что каталитические свойства дефекта и легированного PG можно легко и эффективно настроить. Наши расчеты показывают, что Δ G H значительно снижается при использовании вакансий C2 и легирования гетероатомами S, P, а оптимальные условия могут быть достигнуты при легировании P на активных центрах C1, для которых одними только устранением дефектов или легированием не могут быть достигнуты оптимальные условия. Анализ электронной структуры показывает, что, когда вводятся вакансия C2 и легирование гетероатомом S, P, несколько новых дефектных состояний перемещаются ближе к уровню Ферми, что приводит к более узкой запрещенной зоне и повышению прочности адсорбции водорода. Мы также находим перенос заряда от PG к H *, вычисляя разницу в плотности заряда электронов:чем больше заряд переносится на H *, тем ближе Δ G H значения до нуля с помощью анализа зарядов Бадера, который указывает оптимальную производительность для катализатора HER. И мы далее демонстрируем HER на дефекте, и легированный PG предпочитает механизм Фольмера – Гейровского. Итак, наше исследование показывает, что сконструированный дефект и легированный PG сильно активированы по отношению к электрокатализатору HER, может быть достигнута оптимальная активность HER и обеспечены многочисленные сайты каталитической активности. Ожидается, что стратегии, разработанные в этой статье, могут быть применены для разработки двухмерных электрокатализаторов на основе графена для недорогих и высокопроизводительных приложений HER.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, подтверждающие выводы этой статьи, включены в статью, и дополнительная информация о данных и материалах может быть предоставлена ​​заинтересованной стороне по мотивированному запросу, адресованному соответствующему автору.

Сокращения

HER:

Реакция выделения водорода

PG:

Пента-графен

2D:

Двумерный

Δ G H :

Свободная энергия Гиббса

TMD:

Дихалькогениды переходных металлов

VASP:

Пакет имитационного моделирования Vienna Ab initio

PAW:

Прогнозируемая расширенная волна

PBE:

The Perdew – Burke – Ernzerhof

GGA:

Обобщенное приближение градиента

CI-NEB:

Эластичная резинка для лазания

IS:

Исходное состояние

FS:

Конечное состояние

TS:

Состояние перехода


Наноматериалы

  1. Нановолокна и нити для улучшенной доставки лекарств
  2. Наночастицы для терапии рака:текущий прогресс и проблемы
  3. MoS2 с контролируемой толщиной для электрокаталитического выделения водорода
  4. Замещающее легирование для алюмосиликатного минерала и превосходное расщепление воды
  5. СИНТЕЗ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАТОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ LiNi0.5Mn1.5O4 с легированием композитов Cr3 + и F− для литий-…
  6. Иерархическая гетероструктура полых сфер ZnO @ TiO2 для высокоэффективного фотокаталитического выделения водор…
  7. Модификация сокатализатора сплава PtNi сенсибилизированного эозином Y гибрида g-C3N4 / GO для эффективного фотокат…
  8. Сапонины Platycodon из Platycodi Radix (Platycodon grandiflorum) для зеленого синтеза наночастиц золота и серебра
  9. Влияние легирования магнием на наночастицы ZnO для расширенной фотокаталитической оценки и антибактериально…
  10. Магические математические отношения для нанокластеров - исправления и приложение