基于密度泛函理論計算進一步優(yōu)化水解離和氫吸附過程

氫氣是一種無碳、清潔、環(huán)保的綠色資源，能量密度最高(142MJ kg-1)，因此被廣泛認(rèn)為是最具潛力的清潔能源。此外，隨著氫氣冶金技術(shù)的不斷發(fā)展，對氫氣作為還原劑的需求也在不斷增加。電催化是一種潛在的可持續(xù)制氫方法，開發(fā)非貴金屬基電化學(xué)水分解的高效電催化劑是開發(fā)和利用可再生能源的核心。

來自重慶大學(xué)等單位的研究人員合成了一種具有多異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面和三維多孔結(jié)構(gòu)的電催化劑，闡明了結(jié)合多特征和密度泛函計算的電催化活性增強機理。特別是，所制備的Co2P/N@Ti3C2Tx@NF(下文表示為CPN@TC)表現(xiàn)出15毫伏的超低過電位，以達到10mA·cm-2的電流密度，并且具有長期耐久性。另一方面，這種催化劑在1 m KOH中具有30mV·dec-1的小Tafel斜率，這甚至優(yōu)于貴金屬催化劑。出色的HER活性歸因于吸附H2O和氫的多異質(zhì)界面、電子傳輸?shù)母唠妼?dǎo)率以及設(shè)計良好的離子和氣體快速傳輸結(jié)構(gòu)。因此，有理由認(rèn)為CPN@TC的合成策略可以擴展到過渡金屬基磷化物的制備，以提高催化性能。

總的來說，通過兩步電沉積和隨后的氮化工藝，在MXene(Ti3C2Tx)改性的NF表面成功地制備了具有多異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面的CPN@TC。經(jīng)過精心設(shè)計的CPN@TC可以用于吸附H2O和H*的多個異質(zhì)界面、電子傳輸?shù)腇NE導(dǎo)電性以及用于離子和氣體快速傳輸?shù)慕橘|(zhì)。另一方面，該催化劑在1m KOH中表現(xiàn)出驚人的性能，在10 mA cm-2時的過電位僅為15 mV，并且長期穩(wěn)定。另外，通過密度泛函理論計算進一步優(yōu)化了水解離和氫吸附過程。有理由相信，該合成策略有可能成為高性能水堿電催化劑磷化物研究開發(fā)的一條潛在途徑。（文：SSC）

圖1|a)催化劑合成策略示意圖。B)NF，c)TC@NF，d)CP@TC和e，f) CPN@TC的SEM圖像

圖2| a，b)CP@TC從NF中剝離的透射電鏡圖像

圖3)a)Ti 2p，b)Co 2p，c)P 2p和d)N 1S 的CPN@TC的XPS譜

圖4| a)極化曲線和b)相應(yīng)的CPN@TC、CP@TC、CP@NF、NF、CPN@NF和TC@NF的Tafel斜率。

圖5.a)本文計算的H2O吸附能，b)H*吸附能。