The mechanism of hydrogen adsorption on transition metal dichalcogenides as hydrogen evolution reaction catalyst

催化作用 过渡金属 二硫化钼 空位缺陷 密度泛函理论 吸附 化学 金属 电化学 材料科学 杂质 化学物理 物理化学 无机化学 结晶学 计算化学 冶金 有机化学 电极
作者
Jinsong Wang,Jia Liu,Bao Zhang,Xiao Ji,Kui Xu,Chi Chen,Ling Miao,Jianjun Jiang
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:19 (15): 10125-10132 被引量:153
标识
DOI:10.1039/c7cp00636e
摘要

Two-dimensional transition metal dichalcogenides (TMDs) have been widely considered as potential hydrogen evolution reaction (HER) catalysts because of their low cost and good electrochemical stability in acid conditions. The mechanism of hydrogen adsorption on TMDs plays an important role in optimizing HER activity. In this research, a series of TMDs (MX2, M = Co, Cr, Fe, Mn, Mo, Nb, Ni, Re, Sc, Tc, Ti, V, W, Zr, and X = S, Se, Te) in 2H- and 1T-phases were investigated using density functional theory to determine the relationship between hydrogen adsorption free energy (ΔGH) and electronic structure using a simple descriptor. The results showed a positive linear relation between ΔGH and the work required of the H electron to fill the unoccupied electronic states of the TMDs. Based on such linear relationships, the various defects (B-, C-, N-, O-, F-, P-, Se-doping and S-vacancy) were used to activate the inert basal planes of the 2H-phase molybdenum disulfide, which can introduce impurity states in the lower energy level to effectively accommodate the H electron. Furthermore, HER activity can be further optimized with the increasing concentration of the defects. These findings provide a practicable map of the HER performances, as well as indicating an appropriate direction for optimizing HER activity.
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