Solar RRL:基于大通量量子化学计算发掘磷化镍型高效催化剂

新加坡南洋理工大学陈忠教授研究团队和台州学院陈伟博士等人通过近期的大量实验研究发现磷化镍兼顾产氢活性高和稳定性好的特征,是可能替代贵金属Pt的新型产氢催化剂。西北大学副教授胡军为第一作者,新加坡南洋理工大学材料学院博士后赵新、郑顺丽、台州学院陈伟博士及南洋理工大学陈忠教授为共同作者。作者们对不同原子配比磷化镍(Ni3P,Ni12P5,Ni2P,Ni5P4,NiP,NiP2和NiP3)愈百种低指数表面构型上不同位点的产氢活性开展了大通量量子化学计算,通过对计算数据的挖掘发现:原子的电荷和产氢活性没有显著的关系,而周围原子的成键数量和成键分布显著的影响着对应原子的产氢活性,尤其是仅具有一个PP单键的表面P原子具有优异的HER活性。基于此发现,作者对可能的高活性表面进行了筛选,发现单层NiP2 (100)表面的P原子可与周边的两个Ni原子和一个P原子形成配位,是可能的高活性表面;另外,NiP2 (100)具有典型的层状结构,可以形成具有二维(2D)特性的单层膜,使其具有大的电化学表面积,高孔隙率等以实现电荷的快速转移。

鉴于此,作者对单层NiP2 (100)材料进行了系统的量子化学计算,研究了不同表面空位和不同原子掺杂对产氢活性和稳定性造成的影响。发现无缺陷或者掺杂锌的单层NiP2 (100)具有出色的HER活性和热力学稳定性。另外,该晶面还具有高的活性位点密度(在200 mV过电势下为0.126 N. Å-2,与Pt (111)面的约0.132 N. Å-2接近)。较低的表面能也意味着单层NiP2 (100)可以稳定存在且易于合成。这一研究不仅进一步加深了对磷化镍(NixPy)材料催化活性的理解,也为该领域的实验人员提供了一种可能的兼顾活性和稳定性新阴极材料。本文对高效催化剂的快速设计提出了一种可行的思路和方法,降低材料研发成本与周期。

相关论文以“Mechanistic study of monolayer NiP2 (100) towards solar hydrogen production”为题,在线发表在Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.201900360)上。