揭示二维单层 Mn 掺杂 MoS$_2$ 材料的作用：迈向高效的 H$_2$ 析出反应电催化剂
材料科学
2022-06-22 v3
摘要
二维 (2D) 单层本征 MoS 过渡金属二硫属化物 (TMD) 是研究最多的材料，因为它作为析氢反应 (HER) 非贵金属电催化剂具有广阔的前景。先前的研究表明，2D MoS 的基面在催化上是惰性的，因此它们不能直接用于工业电化学 HER 等所需应用中。在这里，我们深入研究了缺陷工程的 Mn 掺杂 2D 单层 MoS (Mn-MoS) 材料，其中在本征 MoS 中掺杂 Mn 以激活惰性基面。使用密度泛函理论 (DFT) 方法，我们对 2D 单层 Mn-MoS 的电子结构和性质进行了严格的检查，以作为有效 HER 的非贵金属催化剂的有前途的替代品。创建了单层 Mn-MoS 的周期性 2D 板模型来研究电子性质和发生在材料表面的反应路径。通过创建 MnMoS 非周期性有限分子簇模型系统，使用包含溶剂化效应的 M06-L DFT 方法探索了详细的 HER 机制，以确定反应势垒和动力学。我们的研究表明，2D Mn-MoS 遵循最有利的 Volmer-Heyrovsky 反应机制，在 H 析出期间的能量势垒非常低。研究发现，Heyrovsky 反应期间自由能势垒的变化约为 10.34 - 10.79 kcal/mol，表明这是一种用于 HER 的卓越电催化剂。由于在 Volmer 和 Heyrovsky 反应步骤的 HOMO 和 LUMO 过渡态 (TS1 和 TS2) 中出现的氢的 s 轨道和 Mn 原子的 d 轨道的重叠，2D 单层 Mn-MoS 材料的 Tafel 斜率较低。
引用
@article{arxiv.2111.02711,
title = {Unveiling the Role of 2D Monolayer Mn-doped MoS$_2$ Material: Toward an Efficient Electrocatalyst for H$_2$ Evolution Reaction},
author = {Joy Ekka and Shrish Nath Upadhyay and Frerich J. Keil and Srimanta Pakhira},
journal= {arXiv preprint arXiv:2111.02711},
year = {2022}
}
备注
36 Pages, 10 Figures. arXiv admin note: substantial text overlap with arXiv:2106.14682