Novel 2D Transition‐Metal Carbides: Ultrahigh Performance Electrocatalysts for Overall Water Splitting and Oxygen Reduction

过电位 析氧 分解水 材料科学 催化作用 双功能 电催化剂 过渡金属 碳化物 单层 化学工程 纳米技术 电极 化学 物理化学 电化学 冶金 光催化 有机化学 工程类
作者
Yadong Yu,Jian Zhou,Zhimei Sun
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:30 (47) 被引量:335
标识
DOI:10.1002/adfm.202000570
摘要

Abstract Searching for highly efficient, stable, and cost‐effective electrocatalysts for water splitting and oxygen reduction reaction (ORR) is critical for renewable energies, yet it remains a great challenge. Here, by performing an unbiased structural search and first‐principles calculations, the electrocatalytic performance of the emerging 2D transitional‐metal carbides, MC 2 (M represents the transition metal of Ti, V, Nb, Ta, and Mo, C is carbon), is systematically investigated. Owing to their super stability and outstanding electronic conductivity, fast charge transfer kinetics is allowed during catalysis. Specifically, NbC 2 , TaC 2 , and MoC 2 possess excellent hydrogen evolution reaction (HER) performance under the reaction by the Volmer‐Heyrovsky mechanism. Moreover, taking advantage of the dual‐active‐site catalytic mechanism for oxygen evolution reaction (OER) and ORR over traditional single‐active‐site mechanism, TaC 2 presents promising bifunctional electrocatalytic activity with a low overpotential of 0.06 and 0.37 V for HER and ORR, respectively. Meanwhile, the low overpotential endows MoC 2 remarkable multifunctional electrocatalytic performance in overall water splitting (0.001 V for HER, 0.45 V for OER) and ORR (0.47 V). These intriguing results demonstrate the robust applicability of MC 2 monolayers as effective electrocatalysts.
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