随着全球能源短缺问题的加剧,氢作为一种新兴能源受到了广泛关注。在此,河南师范大学路战胜、清华大学李隽、哈里发大学Shamraiz Hussain Talib等人对MXene(Mo2CT2;T=O或S)表面负载的24种用于析氢反应(HER)的过渡金属单原子催化剂(SAC)进行了比较分析,并通过第一性原理计算研究了它们的电子结构、几何结构、稳定性、选择性和催化活性。作者采用VASP进行密度泛函理论(DFT)计算,并使用投影增强波(PAW)赝势来描述外壳和内壳层电子之间的相互作用,以及使用Perdew-Burke-Ernzerhof泛函来描述交换关联相互作用。在所有计算中,作者使用Grimme的色散校正来描述范德华相互作用,并且将能量和力的收敛标准设置为10−5 eV和0.005 eV/Å,以及设置了400eV的截断能。此外,作者采用3×3×1的K点进行几何优化,并采用7×7×1的K点进行电子结构分析。作者选择具有氧/硫官能团(Mo2CO2、Mo2CS2)的碳化钼(Mo2C)作为基底,并对其结构进行优化,具体如图1所示。Mo2CO2具有由五个原子层组成的2D结构,中间层由碳原子和两层以表面官能团终止的Mo原子组成。每个Mo原子与三个碳原子和三个氧原子成键,在Mo周围形成八面体配位几何结构。单层Mo2CO2和Mo2CS2的晶格常数分别为2.88Å和3.08Å。图1中提到了三个可能的吸附位点,其中位点1是中空位点,位点2在Mo原子之上,而位点3在氧或硫元素之上。如图2a和2b所示,经过20 ps的AIMO模拟,两个表面在300K下都能保持稳定,并且没有明显的几何畸变和键断裂。如图2c所示,Mo2CO2具有很少的虚频,这表明其稳定定较差。然而,Mo2CS2表面的声学和光学曲线彼此分离,并且都具有实频,这表明其具有结构稳定性(图2d)。如图3所示,Mo2CO2和Mo2CS2上所有锚定过渡金属原子的结合能分别在−1.08至−7.81 eV和−0.27至−3.84 eV的负值范围内。对于Mo2CO2,Zr的结合能最高(−7.81 eV),Au的结合能量最低(−1.08 eV),并且Zr、Sc、Nb、W、Ti、Os和V的结合能高于−4 eV。Mo2CO2表面结合能的递减顺序为Zr>Sc>W>Nb>Ti>Os>V>Re>Ru>Ni>Co>Tc>Mo>Rh>Pt>Ir>Cu>Fe>Ag>Pd>Cr>Mn>Zn>Au。对于Mo2CS2,Zr的结合能最高(−3.84eV),Cr的结合能最低(−0.27),并且所有锚定TM原子的结合能都高于−1eV。Mo2CS2表面结合能的递减顺序为:Zr>Ir>Ru>Rh>Co>Ni>Sc>Os>W>Ti>Nb>Pt>Tc>Re>Fe>V>Pd>Cu>Mo>Ag>Au>Mn>Zn>Cr。除了Co、Ni、Rh和Ir之外,与硫官能化的MXene(Mo2CS2)相比,氧官能化的MXene(Mo2CO2)负载的过渡金属单原子催化剂具有较大的结合能。图4. TM/Mo2CO2上HER势能面和火山曲线如图4所示,在TM/Mo2CO2催化剂中,Sc、Mn、Ni、Cu、Nb、Pd、Ag、Re、Os、W和Pt的ΔGH*为正值。而Fe、Zn、Zr、Rh、Ir和Au的ΔGH*为负值,表明TM/Mo2CO2和H*之间具有强相互作用。Ti (0.07), V (0.16), Cr (0.16), Co (0.12), Mo (−0.02), Tc (0.04) 和Ru (0.04)的ΔGH*值最接近零,表明它们具有较高的HER活性,并且它们接近图4d中火山图的峰值。图5. TM/Mo2CS2上HER势能面和火山曲线如图5所示,Co、Ni、Cu、Rh、Pd和Ag在Mo2CS2的位点1处的ΔGH*为正值(大于0.2eV),而Sc、Ti、V、Zr、Nb、Mo、Re、Os、Ir和Au为负ΔGH*值,表明TM/Mo2CS2和H*之间存在强烈的相互作用。此外,Cr(−0.07)、Mn(0.10)、Fe(0.20)、Zn(0.09)、Tc(−0.14)、Ru(0.11)、W(−0.09)和Pt(−0.05)的ΔGH*值接近零,表明这些催化剂具有优异的HER活性,并且它们接近图5d中火山图的峰值。如图6所示,ΔGH*和d带中心之间存在线性关系,其中决定系数(R2)分别为0.79(TM/Mo2CO2)和0.73(TM/Mo2CS2)。因此,ΔGH*和d带之间的相关性可以在一定程度上用来证明HER的催化性能。TM/MXene催化剂d带中心的降低有助于去除氢物种,并且它们的氢吸附强度降低。因此,Mo2CT2载体在锚定TM原子后成为一种有效的HER催化剂。作者利用AIMD模拟和声子色散谱研究了MXene(Mo2CO2和Mo2CS2)单层的稳定性。基于Volmer-Heyrovsky途径,TM/Mo2CO2(TM=Ti,V,Cr,Co,Mo,Tc,Ru)和TM/Mo2CS2(TM=Cr,Mn,Fe,Zn,Tc、Ru,W,Pt)SAC对HER表现出优异的催化性能,其ΔGH*值接近零。由于Ti/Mo2CO2、Mo/Mo2CO2,Tc/Mo2CO2,Ru/Mo2CO2、Zn/Mo2CS2、W/Mo2CS2、Cr/Mo2CS3和Pt/Mo2CS4的ΔGH*值等于或优于Pt(111)催化剂,它们表现出优异的HER催化活性。该研究为实验人员设计用于HER和其他电化学应用的MXene基过渡金属SAC提供了理论指导。Sajjad Hussain et.al Computational screening of oxygen and sulfur decorated MXene supported transitions metal single-atom catalysts for hydrogen evolution reaction, International Journal of Hydrogen Energy, 2023, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.11.330
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