掺杂 MoS2 基面是否为高效析氢催化剂？电压依赖性活化能的计算
材料科学
2023-06-21 v2 介观与纳米尺度物理
化学物理
摘要
过渡金属硫族化合物是廉价且地壳丰度高的候选材料，可替代贵金属作为催化剂材料。例如，析氢反应 (HER) 的实验测量已证明 MoS2 具有显著的电催化活性，但依据制备方法不同存在很大差异。为获得关于 HER 机理和活性位点的信息，我们进行了 MoS2 过渡金属掺杂基面在电化学条件（即包含外加电极电势和溶剂效应）下 HER 的反应和活化能计算。计算基于在广义梯度近似内由密度泛函理论获得的能量面上识别相关鞍点，并将能量学信息用于构建电压依赖的火山图。发现掺杂 3d 金属原子以及 Pt 通过引入带隙内的电子态增强了氢在基面上的吸附，且在部分情况下（Co、Ni、Cu、Pt）伴随显著的局域对称性破缺。发现 Volmer-Heyrovsky 机理最有可能，且相关能量学表现出相当大的掺杂剂和电压依赖性。尽管氢的结合自由能可被调节至看似有利于 HER，但计算所得活化能相当显著，在相对于标准氢电极 -0.5 V 电压下至少为 0.7 eV，表明掺杂基面的催化活性低。这表明实验活性由其他位点负责，可能是边缘或基面缺陷。
引用
@article{arxiv.2210.01008,
title = {Is the doped MoS2 basal plane an efficient hydrogen evolution catalyst? Calculations of voltage-dependent activation energy},
author = {Sander Ø. Hanslin and Hannes Jónsson and Jaakko Akola},
journal= {arXiv preprint arXiv:2210.01008},
year = {2023}
}