一體化(光)電解水過(guò)渡金屬氧化物電極設(shè)計(jì)與機(jī)理研究

01引言

隨著全球能源需求的持續(xù)增長(zhǎng)與能源供應(yīng)的不確定性增加，清潔、可持續(xù)的新能源研究越來(lái)越受到人們的關(guān)注。氫能具有能量密度大、安全穩(wěn)定、便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備碳零排放特性，燃燒值高，通過(guò)燃料電池容易實(shí)現(xiàn)氫-電轉(zhuǎn)換，綠色制氫還可消納太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電間歇式、狀態(tài)高低起伏不定的不足。將太陽(yáng)能通過(guò)半導(dǎo)體捕光材料轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃庵兴N(yùn)含的化學(xué)能，可以有效降低成本、減少CO2排放和擴(kuò)大“綠氫”制氫規(guī)模。本研究受硫銦鋅(Applied Catalysis B:Environmental,2020,265,118616)啟發(fā)，其二維層狀結(jié)構(gòu)的邊緣是理想的催化析氫活性位點(diǎn)；同時(shí)，近年來(lái)有報(bào)道Ni/In等摻雜(Journal of Energy Chemistry,2021,58,408)可以作為催化助劑進(jìn)一步提高產(chǎn)氫性能，本研究重點(diǎn)考慮ZIS化合物不同晶面對(duì)H的吸附性能，并通過(guò)費(fèi)米能級(jí)附近態(tài)密度的計(jì)算，從機(jī)理上解釋Ni助劑的催化機(jī)理。

02成果簡(jiǎn)介

本項(xiàng)研究工作，采用第一性原理方法，構(gòu)建并優(yōu)化了硫銦鋅化合物(ZIS)不同晶面slab模型，包括傳統(tǒng)二維(001)晶面和邊緣位暴露的(110)晶面，同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建并優(yōu)化了ZIS(110)負(fù)載Ni團(tuán)簇模型(ZIS(110)-Ni)。對(duì)比了三種slab模型態(tài)密度(density of states)，以及氫原子在不同晶面和不同表面原子上的吸附能。計(jì)算結(jié)果表明，Ni團(tuán)簇的引入可以顯著影響晶面電子分布，使H原子在復(fù)合催化劑Ni團(tuán)簇表面吸附能最接近零，利于水分解制氫產(chǎn)物的脫附，提高產(chǎn)氫效率。

03圖文導(dǎo)讀

圖1(a)ZIS原胞結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，(b)(001)晶面slab模型，(c)(110)晶面slab模型，ZIS負(fù)載Ni團(tuán)簇slab模型

圖2ZIS(001)晶面，ZIS(110)晶面與ZIS(110)晶面負(fù)載Ni團(tuán)簇后態(tài)密度圖

圖3 ZIS(110)邊緣負(fù)載Ni團(tuán)簇后差分電荷圖(黃色:電子聚集，青色:電子缺失)

圖4吸附氫原子在ZIS(110)-Ni與ZIS(001)兩個(gè)slab模型上三個(gè)不同吸附位點(diǎn)吸附能

04小結(jié)

本工作使用鴻之微集合在Device Studio軟件中的DS-PAW軟件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的催化劑晶面，分別構(gòu)建了硫銦鋅(ZIS)傳統(tǒng)(001)二維晶面和本文重點(diǎn)關(guān)注的(110)晶面以及負(fù)載Ni團(tuán)簇的ZIS(110)-Ni等催化表面模型。計(jì)算其表面態(tài)密度(DOS)，可見(jiàn)傳統(tǒng)(001)二維晶面顯示典型半導(dǎo)體性質(zhì)，費(fèi)米能級(jí)處無(wú)電子填充，具有較寬帶隙；而(110)晶面以及負(fù)載Ni團(tuán)簇后，費(fèi)米能級(jí)處出現(xiàn)電子填充，分別由In的S軌道電子和Ni的d軌道電子所貢獻(xiàn)。相應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移可以從圖3的差分電荷密度圖中得到進(jìn)一步直觀體現(xiàn)。最后，針對(duì)氫原子在不同電極催化劑潛在的活性位點(diǎn)(吸附位)的吸附強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，可以看到Ni團(tuán)簇的引入可以有效降低吸附能，促進(jìn)氫原子的脫附，促進(jìn)活性位的釋放，提高產(chǎn)氫性能與穩(wěn)定性。

審核編輯：劉清