基于本征电子结构探索二维MXenes材料对于HER的活性起源|Science Bulletin

      在石油天然气等不可再生能源日益短缺的今日, 氢气作为一种清洁能源, 在替代这些传统化石燃料方面展现了巨大的潜力。目前, 电解水制氢在能源研究领域成为了一项重要课题。传统贵金属, 尤其是铂(Pt)基电催化剂具有良好的催化活性, 但是其价格昂贵且稀有, 限制了其大规模的实际应用。因此, 寻找廉价高效的非贵金属催化剂是实现低成本电解水制氢的关键科学问题之一, 也是目前该领域的研究热点和重点。MXenes作为一类新型的二维材料, 以优异的导电性能、高的热稳定性以及超大的比表面积, 使其在电解水制氢中的受到广泛的关注。然而,  不同的MXenes催化剂展现出不同的析氢催化活性, 针对这一类材料活性的起源目前还没有相关报道。Science Bulletin 21期发表研究论文“Insight into the catalytic activity of MXenes for hydrogen evolution reaction”, 从20种含氧官能团的MXenes材料的本征电子结构出发, 利用费米-丰度模型解释了催化活性迥异的根本原因。东南大学白晓婉博士为第一作者, 王金兰教授为通讯作者。

       王金兰课题组对20种MXenes催化剂进行了系统的研究, 利用费米-丰度模型, 用于理解不同MXenes催化剂拥有不同HER活性的根源。在没有H吸附时, 通过计算催化剂本征的电子结构, 发现不同过渡金属与表面O原子成键, 致使表面O原子所占据的p电子态分布不同, 从而产生了MXenes不同的HER活性。再者, 她们利用氢吸附自由能作为活性描述符, 判定HER电催化剂的催化性能。预测出Ti₂NO₂和Nb₂NO₂在低浓度H覆盖下HER的活性较高, 且在25% H覆盖度时HER的性能最好(∆G_H≈0)。这项工作不仅预测出高活性的HER电催化剂, 利用费米丰度模型解释了20 种MXenes催化活性的起源, 而且作为一种简单的描述符可用于其他二维材料催化活性探索的理论依据。     

图1   理论计算的10种氮化物MXenes的电子结构

图2   10种氮化物和10种碳化物MXenes的HER活性火山图

图3   费米-丰度(D_F)模型与氢吸附吉布斯自由能变化(∆G_H)的关系。(a) 费米-丰度模型的示意图(Dʹ(E) = D(E)W(E))。(b) 在kT =0.85 eV的条件下, 20种O官能团氮化物和碳化物MXenes的∆G_H随费米-丰度(D_F)的变化

原文阅读，敬请关注！

 

Xiaowan Bai, Chongyi Ling, Li Shi, Yixin Ouyang, Qiang Li, Jinlan Wang. Insight into the catalytic activity of MXenes for hydrogen evolution reaction. Science Bulletin, 2018,63(21):1397-1403

https://doi.org/10.1016/j.scib.2018.10.006

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