Catalysts for Hydrogen Evolution from the [NiFe] Hydrogenase to the Ni2P(001) Surface: The Importance of Ensemble Effect

氢化酶 化学 催化作用 热稳定性 动力学 金属 活动站点 密度泛函理论 结晶学 无机化学 计算化学 有机化学 物理 量子力学
作者
Ping Liu,José Alberto Rodríguez
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:127 (42): 14871-14878 被引量:1091
标识
DOI:10.1021/ja0540019
摘要

Density functional theory (DFT) was employed to investigate the behavior of a series of catalysts used in the hydrogen evolution reaction (HER, 2H+ + 2e- → H2). The kinetics of the HER was studied on the [NiFe] hydrogenase, the [Ni(PS3*)(CO)]1- and [Ni(PNP)2]2+ complexes, and surfaces such as Ni(111), Pt(111), or Ni2P(001). Our results show that the [NiFe] hydrogenase exhibits the highest activity toward the HER, followed by [Ni(PNP)2]2+ > Ni2P > [Ni(PS3*)(CO)]1- > Pt > Ni in a decreasing sequence. The slow kinetics of the HER on the surfaces is due to the fact that the metal hollow sites bond hydrogen too strongly to allow the facile removal of H2. In fact, the strong H−Ni interaction on Ni2P(001) can lead to poisoning of the highly active sites of the surface, which enhances the rate of the HER and makes it comparable to that of the [NiFe] hydrogenase. In contrast, the promotional effect of H-poisoning on the HER on Pt and Ni surfaces is relatively small. Our calculations suggest that among all of the systems investigated, Ni2P should be the best practical catalyst for the HER, combining the high thermostability of the surfaces and high catalytic activity of the [NiFe] hydrogenase. The good behavior of Ni2P(001) toward the HER is found to be associated with an ensemble effect, where the number of active Ni sites is decreased due to presence of P, which leads to moderate bonding of the intermediates and products with the surface. In addition, the P sites are not simple spectators and directly participate in the HER.
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