Insights into the Hydrogen Evolution Reaction on 2D Transition-Metal Dichalcogenides

过渡金属 材料科学 化学物理 纳米技术 化学 催化作用 有机化学 生物化学
作者
Zhenbin Wang,Michael T. Tang,Ang Cao,Karen Chan,Jens K. Nørskov
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:126 (11): 5151-5158 被引量:47
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.1c10436
摘要

Understanding hydrogen evolution reaction (HER) behaviors over two-dimensional transition-metal dichalcogenides (2D-TMDs) is critical for the development of nonprecious HER electrocatalysts with better activity. In this work, by combining density functional theory calculations with microkinetic modeling, we thoroughly investigated the HER mechanism on 2D-TMDs. We find an important dependence of simulated cell size on the calculated hydrogen adsorption energy and the activation barrier for MoS2. Distinct from previous "H migration" mechanisms proposed for the Heyrovsky reaction, the rate-determining step for MoS2, we propose that the Mo site only serves as the stabilized transition state rather than H adsorption. In comparison to transition-metal electrocatalysts, we find that the activation barrier of the Heyrovsky reaction on 2D-TMDs scales with the hydrogen adsorption energy exactly as for transition metals except that all activation energies are displaced upward by ca. 0.4 eV. This higher Heyrovsky activation barrier is responsible for the substantially lower activity of 2D-TMDs. We further show that this higher activation barrier stems from the more positively charged adsorbed hydrogen on the chalcogenides interacting repulsively with the incoming proton. Based on these insights, we discuss potential strategies for the design of nonprecious HER catalysts with activity comparable to Pt.
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