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北京航空航天大學Ruifeng Zhang課題組--單原子修飾的過渡金屬碳化物（MXenes）用于高效析氫反應

二維過渡金屬碳化物和氮化物（MXenes）是由于其金屬導電，豐富的表面活性位點和高比表面積而具有高效的HER催化活性。在表面上引入單個過渡金屬原子（TM）是提高Mxenes性能的好方法。然而，在先前的理論研究中關注于TM對MXenes純官能團的影響，忽略了在實驗中觀察到的雜化官能團。在此，采用第一性原理系統地研究了四種不同F/O比下Ti₂CTx（T=-O,-F）的HER性能。Ti₂CO_1.33F_0.67表現出優異的HER催化活性，與金屬鉑相當。基于Ti₂CT_X結構進一步對近兩百種過渡金屬組合篩選表明，金屬Rh，Ti，Ir和Pt是最佳的過渡金屬，可增強對應變調節的敏感性，并減少氫氣產生的激活屏障。引入描述符ψ，提供了一種有用的方法尋找最有前途的TMs-Ti₂CT_x配對，通過TM對反鍵軌道的電子填充，ψ揭示了HER催化活性中心的電子結構效應。

Figure 1. （a）Ti₂CT_x的HER催化過程示意圖。紅色，紫色，藍色，橙色和白色球體分別代表O，F，Ti，C和H元素。（b）計算（U_SHE=0V）時的H吸附吉布斯自由能(DG_H)，H覆蓋率在1/18、4/18、6/18、8/18和12/18ML時對應于Ti₂CO_1.33F_0.67，相同H覆蓋率為1/18ML時，不同的Ti₂CTx即Ti₂CO_0.89F_1.11，Ti₂CO_0.67F_1.33，Ti₂CO_0.44F_1.56和Ti₂CF₂，綠色面積代表催化活性區域，|DG_H|<0.2eV。（c）不同F/O比下Ti₂CT_x的交換電流密度(i₀)與ΔG_H的火山曲線，局部放大的是Ti₂CO_1.33F_0.67和所有-O末端。（d）Ti₂CO_1.33F_0.67、Ti₂CO_0.89F_1.11、Ti₂CO_0.67F_1.33和Ti₂CO_0.44F_1.56每個催化位點的平均自由能(G)和DG_H之間的差異，Ti₂CO_0.44F_1.56的G分別為0.108,0.188,0.278,和0.313eV，圖中較暗的顏色表明催化活性更好，用紅色邊框突出顯示最佳催化點。

Figure 2.（a）TM吸附位點和吸附單原子類型示意圖，在圖中，不同化學環境中有兩種類型的原子（F，O），各種具有五個TM吸附位點，即-F或-O空位(S_I)、頂部位點(S_II)、hcp位點(S_III)、fcc位點(S_IV)和橋位點(S_V)。b)Ti₂CO_1.33F_0.67在不同活性位點吸附的TM的吸附能(DE_TM-ads)。（c）不同SACs催化劑上TM和O原子的電荷轉移數的絕對值(|De|)，在過渡金屬原子丟失電子的情況下，氧原子接受它們。（d）SACs催化劑在S_O-IV位點的泡泡圖，TM–O和TM–F (Dd_TM-O和Dd_TM-F)的鍵長變化的最大值被標記在泡泡位置。相對應的|ΔE_TM-ads|是泡泡的半徑，第一原理分子動力學計算通常運行15ps，有2ps的時間步驟。

Figure.3（a）H原子吸附在Ti₂CO_1.33F_0.67表面上（O₁、O₂、O₃、T）的結構。（b）基于Ti₂CO_1.33F_0.67SACs 顏色編排的活性位點數量圖，較暗的顏色表示有更多的活性位點，而空白區域表示缺乏活性位點。（c）按照O₁–O₂–O₃–T的順序繪制了每個經過TMs修飾的Ti₂CO_1.33F_0.67材料的4個H吸附位點的DG_H值，條形圖表示S_O-IV位點的H吸附，點線圖表示S_F-IV位點的H吸附，綠色面積代表催化活性區域，|DG_H|<0.2eV。

Figure.4（a）未改性Ti₂CO_1.33F_0.67（平板）和經Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、F、Ni、Y、Ru、Rh、Ir和Pt改性后的過渡能壘。b)計算了TMs-Ti₂CO_1.33F_0.67催化劑的ΔG_H作為應變的函數，（應變范圍：-2—2%），綠色區域表示HER催化劑Pt的自由能，DG_H從-0.99到0.99eV。

Figure.5（a）交換電流密度（i₀）與S_O-IV-T位點上的TMs-Ti₂CO_1.33F_0.67的描述符ψ的火山曲線。（b）比較不同的TMs-Ti₂CO_1.33F_0.67描述符ψ。（c）d帶中心（εd）作為描述符ψ的函數。

Figure.6（a）一些二維和常見催化劑在仿真和實驗中的HER過電位，菱形和圓形分別代表仿真和實驗數據。

相關研究成果由北京航空航天大學Ruifeng Zhang課題組于2021年發表于《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》（https://doi.org/10.1002/adfm.202104285）上。原文：Single Atom-Modified Hybrid Transition Metal Carbides as Efficient Hydrogen Evolution Reaction Catalysts。

轉自《石墨烯雜志》公眾號



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