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北京航空航天大學Ruifeng Zhang課題組--單原子修飾的過渡金屬碳化物(MXenes)用于高效析氫反應
二維過渡金屬碳化物和氮化物(MXenes)是由于其金屬導電,豐富的表面活性位點和高比表面積而具有高效的HER催化活性。在表面上引入單個過渡金屬原子(TM)是提高Mxenes性能的好方法。然而,在先前的理論研究中關注于TM對MXenes純官能團的影響,忽略了在實驗中觀察到的雜化官能團。在此,采用第一性原理系統地研究了四種不同F/O比下Ti
2
CTx(T=-O,-F)的HER性能。Ti
2
CO
1.33
F
0.67
表現出優異的HER催化活性,與金屬鉑相當。基于Ti
2
CT
X
結構進一步對近兩百種過渡金屬組合篩選表明,金屬Rh,Ti,Ir和Pt是最佳的過渡金屬,可增強對應變調節的敏感性,并減少氫氣產生的激活屏障。引入描述符ψ,提供了一種有用的方法尋找最有前途的TMs-Ti
2
CT
x
配對,通過TM對反鍵軌道的電子填充,ψ揭示了HER催化活性中心的電子結構效應。
Figure 1. (a)Ti
2
CT
x
的HER催化過程示意圖。紅色,紫色,藍色,橙色和白色球體分別代表O,F,Ti,C和H元素。(b)計算(U
SHE
=0V)時的H吸附吉布斯自由能(DG
H
),H覆蓋率在1/18、4/18、6/18、8/18和12/18ML時對應于Ti
2
CO
1.33
F
0.67
,相同H覆蓋率為1/18ML時,不同的Ti
2
CTx即Ti
2
CO
0.89
F
1.11
,Ti
2
CO
0.67
F
1.33
,Ti
2
CO
0.44
F
1.56
和Ti
2
CF
2
,綠色面積代表催化活性區域,|DG
H
|<0.2eV。(c)不同F/O比下Ti
2
CT
x
的交換電流密度(i
0
)與ΔG
H
的火山曲線,局部放大的是Ti
2
CO
1.33
F
0.67
和所有-O末端。(d)Ti
2
CO
1.33
F
0.67
、Ti
2
CO
0.89
F
1.11
、Ti
2
CO
0.67
F
1.33
和Ti
2
CO
0.44
F
1.56
每個催化位點的平均自由能(G)和DG
H
之間的差異,Ti
2
CO
0.44
F
1.56
的G分別為0.108,0.188,0.278,和0.313eV,圖中較暗的顏色表明催化活性更好,用紅色邊框突出顯示最佳催化點。
Figure 2.(a)TM吸附位點和吸附單原子類型示意圖,在圖中,不同化學環境中有兩種類型的原子(F,O),各種具有五個TM吸附位點,即-F或-O空位(S
I
)、頂部位點(S
II
)、hcp位點(S
III
)、fcc位點(S
IV
)和橋位點(S
V
)。b)Ti
2
CO
1.33
F
0.67
在不同活性位點吸附的TM的吸附能(DE
TM-ads
)。(c)不同SACs催化劑上TM和O原子的電荷轉移數的絕對值(|De|),在過渡金屬原子丟失電子的情況下,氧原子接受它們。(d)SACs催化劑在S
O-IV
位點的泡泡圖,TM–O和TM–F (Dd
TM-O
和Dd
TM-F
)的鍵長變化的最大值被標記在泡泡位置。相對應的|ΔE
TM-ads
|是泡泡的半徑,第一原理分子動力學計算通常運行15ps,有2ps的時間步驟。
Figure.3(a)H原子吸附在Ti
2
CO
1.33
F
0.67
表面上(O
1
、O
2
、O
3
、T)的結構。(b)基于Ti
2
CO
1.33
F
0.67
SACs 顏色編排的活性位點數量圖,較暗的顏色表示有更多的活性位點,而空白區域表示缺乏活性位點。(c)按照O
1
–O
2
–O
3
–T的順序繪制了每個經過TMs修飾的Ti
2
CO
1.33
F
0.67
材料的4個H吸附位點的DG
H
值,條形圖表示S
O-IV
位點的H吸附,點線圖表示S
F-IV
位點的H吸附,綠色面積代表催化活性區域,|DG
H
|<0.2eV。
Figure.4(a)未改性Ti
2
CO
1.33
F
0.67
(平板)和經Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、F、Ni、Y、Ru、Rh、Ir和Pt改性后的過渡能壘。b)計算了TMs-Ti
2
CO
1.33
F
0.67
催化劑的ΔG
H
作為應變的函數,(應變范圍:-2—2%),綠色區域表示HER催化劑Pt的自由能,DG
H
從-0.99到0.99eV。
Figure.5(a)交換電流密度(i
0
)與S
O-IV
-T位點上的TMs-Ti
2
CO
1.33
F
0.67
的描述符ψ的火山曲線。(b)比較不同的TMs-Ti
2
CO
1.33
F
0.67
描述符ψ。(c)d帶中心(εd)作為描述符ψ的函數。
Figure.6(a)一些二維和常見催化劑在仿真和實驗中的HER過電位,菱形和圓形分別代表仿真和實驗數據。
相關研究成果由北京航空航天大學Ruifeng Zhang課題組于2021年發表于《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》(https://doi.org/10.1002/adfm.202104285)上。原文:Single Atom-Modified Hybrid Transition Metal Carbides as Efficient Hydrogen Evolution Reaction Catalysts。
轉自《石墨烯雜志》公眾號
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