关于MXene析氢性能调控的第一性原理研究

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近年来,二维MXenes(过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化合物的总称)作为低成本、高效的无贵金属析氢(Hydrogen Evolution Reaction,简称为:HER)电催化剂在HER领域取得了令人满意的成果。研究发现,2D MXenes中的Mo2C MXene作为一种潜在的HER电催化剂在实验中已经取得了一定进展,但迄今为止很少有理论研究来探索Mo2C MXene的HER电催化潜力。此外还发现2D MXenes存在空位缺陷,这些空位缺陷会影响MXenes的电学、机械和光电性能,并且空位的存在对MXenes的电催化HER性能影响也不清楚。据此,本文应用密度泛函理论研究了Mo2C MXenes的基本物化性质和电催化HER性能,并探究了空位缺陷对MXenes的电催化HER活性影响。论文首先研究了功能化的Mo2C MXene的稳定性和电催化HER性能。表面布拜图表明Mo2C MXene表面被完全氧化是最稳定的状态,被氧(O)官能团完全覆盖的Mo2C(Mo2CO2)由于氢(H)吸附太强导致其不适合成为优异的HER电催化剂。将过渡金属(TM)掺杂到Mo晶格中会导致Mo2CO2的H吸附增强并降低其电催化活性,但将具有适当覆盖度的TM原子锚定在Mo2CO2表面上,可以削弱第一个氢与表面氧结合的强度,有效调控其电催化HER活性。Mo2CO2表面氧原子上覆盖12.5%ML的Mn/Fe原子后,发现其第一个H的氢吸附吉布斯自由能((35)GH*)接近于零,因此TM覆盖度为12.5%ML的Mn/Fe-Mo2CO2被认为是潜在的HER电催化剂。在Mo2CO2表面锚定过渡金属原子所产生的弱化效应源于TM原子和表面O原子之间的电荷转移,TM原子的电子转移到O原子上,导致H和O形成的反键轨道电子占有率增加,从而致使O-H键减弱。此外,与弱化效应相反,拉伸应变工程中,表面O原子上的p电子态向费米能级处移动而导致O-H结合增强,可以进一步调节TM修饰的Mo2CO2的HER性能。TM修饰和应变工程的协同效应为高效电催化HER提供了有利优势,可应用于其他MXenes的催化应用。在上述研究基础上,继续探究了空位缺陷对调节M2CO2 MXene的HER活性的影响。对于M2CO2 MXene而言,单个碳(C)空位会略微削弱其H与O之间的相互作用,而过渡金属(M)空位或耦合的M+C空位可以大大增强H与O之间的相互作用。对于具有内在过强H吸附的MXenes来说,双C空位可有效削弱H-O结合并促进其HER活性。空位对M2CO2 MXenes的HER活性调节与有空位缺陷的MXenes的电子结构密切相关。M2CO2 MXenes表面O原子的p轨道态密度在费米能级以下的最高占据峰位置与(35)GH*呈明显的线性趋势,可用于定性预测其电催化HER活性。C或M空位对H吸附的减弱或增强分别归因于表面O原子的p电子态在费米能级上移或下移。我们的结果表明空位缺陷工程具有调节MXenes催化活性的潜力,并为扩展MXenes的电催化应用提供了新的可能性。
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