Mn 掺杂 MoS2 纳米片改善析氢性能的 DFT QTAIM 计算分析(Materials Today Comm. 2024)

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摘要

在最近的一篇实验和理论相结合的文章中,基于周期性 DFT 计算与 QTAIM 分析,在原子水平上解释了当MoS2 二维材料掺杂 Mn 时,其析氢反应(HER)性能增强的原因。该工作使用 AMS 软件中的 BAND 模块,进行周期性DFT与QTAIM计算表明,将 Mn 原子掺入 MoS2 纳米片的基面,会激活所有面内 S 原子位点和与 Mn 相邻的三个 Mo 原子,从而降低 H 原子的吸附自由能,从而提高表面的 HER 催化活性(参考原文图 6)。DFT-QTAIM 计算与 Mn-MoS2 增强 HER 性能的实验数据非常一致。

为了探索掺杂对局部(接近掺杂原子)和全局的影响,计算模型选取了 32 个 H 原子全面覆盖的超胞,每个对称等价的 S 原子(总共16个)的顶部有 1 个 H 原子,另外 16 个 H 原子位于 Mo 的顶部位置(参考原文图 7)。根据 QTAIM 分析,原始的 MoS2 单层的 S 原子,与顶部的 H 原子通过共价 S-H 键吸附 H 原子,而另外的 16 个 H 原子则没有直接结合到材料表面,这就解释了为什么原始 MoS2 的基面对 HER 是惰性的。对于掺杂的 Mn-MoS2 单层,S 原子顶部的 16 个 H 保持共价键合,但 Mo 原子顶部的 16 个 H 通过弱键被S 原子吸附,并且其中一些还与 Mn 邻近的 Mo 形成弱键。因此,根据 QTAIM 的分析表明,Mn 原子掺入MoS2 的基面,催化激活所有 S 原子和与 Mn 相邻的三个 Mo。

参考文献:

H.D. Morales-Rodríguez, K. Nguyen-Ba, F. Chen, Q. Shen, R. Tu, L.M. Zhang, F.L. Castillo-Alvarado, J.I. Rodríguez-Hernández, J.R. Vargas-Garcia, Modulating the electronic structure of MoS2 nanosheets by Mn doping for improving hydrogen evolution reaction: an experimental and theoretical DFT-QTAIM study, Materials Today Comm. 38, 107786 (2024)

 
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