Effect of Surface Charge Distribution of Phosphorus-Doped MoS2 on Hydrogen Evolution Reaction

过电位 电荷密度 密度泛函理论 电负性 兴奋剂 塔菲尔方程 掺杂剂 材料科学 化学物理 化学 计算化学 原子物理学 物理化学 光电子学 物理 有机化学 电化学 量子力学 电极
作者
Chunlian Peng,Lili Song,Lian Wang,Fan Yang,Jianjun Ding,Fangzhi Huang,Yuqiao Wang
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:4 (5): 4887-4896 被引量:46
标识
DOI:10.1021/acsaem.1c00485
摘要

MoS2 used for effective hydrogen evolution mainly depends on the activity of Mo–S edge sites. The exposure of abundant active edge sites has become an important way to broadly enhance the MoS2 catalytic activity. However, it is difficult to establish a visual evaluation method to determine the intrinsic catalysis of MoS2. Herein, the effect of surface charge distribution of phosphorus-doped MoS2 on hydrogen evolution can be visually described by mapping the differential charge density. The design and analysis are based on density functional theory calculations with the comparison of the electronic structure before and after nonmetal atom doping. Furthermore, the atom interaction before and after doping can be extracted by the projected crystal orbital Hamiltonian population (pCOHP). The bond strength between sulfur and hydrogen atoms is measured with the integrated COHP (ICOHP). Due to electronegativity difference, phosphorus doping causes the electron rearrangement around Mo and S atoms. The doped phosphorus acts as a bridge to more uniformly improve the charge gradient distribution between Mo and S atoms. Meanwhile, phosphorus doping reduces the hydrogen adsorption energy on the S atom surface, ensuring that the free energy of hydrogen evolution is effectively reduced by moderate doping. The hydrogen evolution reaction can achieve a low overpotential of 152 mV at 1 mA cm–2, a Tafel slope of 86 mV dec–1, and a continuous 30 h operation. We have explored an effective method for designing efficient catalysts by combining theory with experiment.
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