基于层状SnP3体系的新型廉价析氢催化剂设计及机理的理论研究

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化石能源是人类生存与发展的重要物质基础,其所引起的资源匮乏和环境恶化促使我们寻找和开发优质、可靠和清洁的新型能源。氢气由于来源丰富、环保、能量密度高等优点,被认为是替代化石燃料的理想能源载体。开发氢能的关键是要获得高效的催化剂,以降低反应过程中的过电势。基于密度泛函理论(DFT)计算,我们系统研究了二维层状SnP3体系的析氢催化活性。计算结果表明,单层SnP3纳米结构可以表现出良好的HER催化活性,其磷原子上方是析氢催化活性位点。与单层SnP3相比,几层SnP3纳米结构具有相对较弱的HER活性。进一步,我们通过施加表面应力去有效改善这些二维层状SnP3纳米结构的HER活性。计算结果表明通过对单层SnP3施加压缩应力和对几层SnP3施加拉伸应力,可以同时优化其H*吸附状态和导电性,使这些二维层状纳米结构拥有更高的HER活性。此外,通过交替堆叠单层SnP3和石墨烯,构建了一系列新的二维双层和三明治纳米结构(nL-SnP3/G)。石墨烯的加入有效改善了H*吸附状态和导电性,使复合体系均表现出比单层SnP3更高的HER催化活性。进一步研究发现将N原子或B原子掺杂到石墨烯中,可以更有效提高这些二维复合体系的HER催化活性;与N原子掺杂相比,B原子掺杂的效果更好。同时,计算结果揭示,所有这些基于二维层状SnP3的纳米材料都具有很大的负层间相互作用能(Eint),表明它们的结构具有稳定性。显然,由于同时具有高的结构稳定性和良好的导电性,这些二维层状SnP3基纳米材料可以成为非贵金属高效HER电催化剂设计的优秀的候选者。
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