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    计算文献导读(二十):Adv. Energy Mater. | 碳负载Co/CoP异质结高效全水解催化的DFT计算分析
    来源:科学10分钟 时间:2022-01-11 22:12:04 浏览:2835次





    研究背景


    阴极侧的析氢反应(HER)和阳极侧的析氧反应(OER)动力学缓慢,严重制约了电解水分解效率的提高。同时,受限于贵金属的稀缺性,Pt、IrO2及RuO2等高效催化剂无法在工业上大规模使用。因此,合理地设计非贵金属催化剂,以促进物质/电子的转移和充分暴露催化活性位点,对电解制氢的商业化应用具有重要意义。




    研究结果


    近日,来自复旦大学的郭艳辉、方方和吴仁兵教授团队的研究人员开发了一种分级有序的大孔-介孔-微孔的碳基底负载Co/CoP异质结(Co/CoP@HOMC),实现了高效全水解。当电流密度达到10 mA cm-2时,HER和OER的过电位分别为120和260 mV。通过密度泛函计算分析了体系的电子转移现象和反应路径,结果表明Co/CoP界面在提供丰富的催化活性位点的同时,还通过电子耦合优化了对氢、水以及反应中间产物的吸附过程。




    计算分析


    图1. 构建的原子结构的侧视图和俯视图:(a) Co; (b) CoP; (c) Co/CoP; 其中蓝色和紫色分别代表Co和P原子。

    为进一步探究Co/CoP异质结的协同效应对催化活性的影响,研究人员进行了密度泛函(DFT)计算。图1展示了基于Co和CoP的(111)面构建的三种研究模型,分别为Co(图1a),CoP(图1b)以及Co/CoP(图1c)。

    图2. (a) Co@HOMC, CoP@HOMC和Co/CoP@HOMC对应的HER自由能变化; (b) Co/CoP@HOMC的差分电荷密度

    首先,针对三种模型表面,研究人员计算了两种HER活性描述符(碱性条件),即水的吸附能(GH2O)以及吸附氢的吉布斯自由能 (GH*)。从图2a中可以看出,Co/CoP@HOMC具有最低的GH2O(0.20 eV),小于Co@HOMC的0.31 eV和CoP@HOMC的0.21 eV, 表明Co/CoP异质结更有利于水的解离。

    此外,Co@HOMC和CoP@HOMC的GH*的更负,分别为-0.52 eV和而-0.22 eV, 表明活性氢与Co和CoP的结合力更强,这不利于后续氢的脱附过程。当Co/CoP异质结形成后,GH*增加到-0.05 eV,更接近于0 (理想的HER催化剂的GH*为0), 表明Co/CoP@HOMC具有优异的内在催化活性。

    Co/CoP@HOMC优异的GH2O和GH*可能与异质界面的电荷转移有关,从图2b的差分电荷密度可以发现,界面处的Co呈现青色,表明电荷的耗尽。相应地,界面处的CoP呈现黄色,表明电荷的累积。异质界面附近的电荷分布变化可以显著调节Co/CoP@HOMC的电子结构,从而提高HER催化活性。

    图3. Co@HOMC, CoP@HOMC和Co/CoP@HOMC对应的OER自由能变化; (b) Co@HOMC, CoP@HOMC和Co/CoP@HOMC的态密度

    研究人员进一步计算了OER反应路径中的自由能变化。OER是一个四电子反应,分别涉及了OH*,O*和OOH*三个反应中间体,其反应路径可表示为:

    * + OH- → *OH + e-                                        (1)

    *OH + OH- → *O + H2O + e-                          (2)

    *O + OH- → *OOH + e-                                   (3)

    *OOH + OH- → * + O2 + H2O + e-                 (4)

    图3a展示了OER反应路径中自由能变化的具体结果,三种模型的电位决定步骤(PDS)均为反应中间体*O向*OOH转变。其中,Co@HOMC的PDS步的自由能变高达2.37 eV。而CoP@HOMC的PDS步的自由能变降低至1.67 eV,这可能是由于Co中心的电荷密度减小造成的。值得注意的是,Co/CoP@HOMC的PDS步的自由能变进一步降低至1.61 eV,证明了Co和CoP之间的协同效应可以有效降低OER过电位。

    由于OER动力学与过渡族金属活性中心的d轨道密切相关,研究人员进一步计算了Co原子3d轨道的态密度。从图3b中可以看出,Co/CoP@HOMC的d带中心向高能量处偏移,为-0.79 eV,而 Co@HOMC和CoP@HOMC的d带中心分别为-1.23 eV和-0.98 eV。根据d带中心理论,Co/CoP@HOMC对各反应中间体的吸附得到加强,这有利于OER的进行。


    往期计算文献导读:

    计算文献导读(十九):J. Am. Chem. Soc. | 不同配位的双金属异质单原子协同催化的DFT计算分析

    计算文献导读(十八):Nat. Nanotechnol. | 晶圆级硫化钼半导体单晶外延生长机理的DFT计算分析

    计算文献导读(十七):Nat. Commun. | 交变磁场致自旋态重组用于高效OER催化的DFT计算分析


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    12条评论
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    全部 3小时前 四川
    文字是人类用符号记录表达信息以传之久远的方式和工具。现代文字大多是记录语言的工具。人类往往先有口头的语言后产生书面文字,很多小语种,有语言但没有文字。文字的不同体现了国家和民族的书面表达的方式和思维不同。文字使人类进入有历史记录的文明社会。
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