Advanced Energy Materials:缺陷调控PtSe₂的HER/OER双极催化能力——从理论到实验

近年来随着超级计算机运算能力的不断提升和计算方法的长足发展,密度泛函理论(DFT)计算已经可以研究上千原子大小的体系,包括对范德华效应(vdW)的修正、爬坡弹性带方法(CI-NEB)研究扩散势垒以及溶剂化效应(VASPsol)的修正已被集成至主流第一性原理计算软件VASP中。VASP可以对材料的结构、稳定性、受力和电荷分布进行精确的原子级描述,进而预测其力学、光学和电学性能。例如,科学家通过理论计算预测了硼烯不同合成方法的可行性,帮助实验室成功在Ag(111)面生长了单层硼烯;预测了拓扑绝缘体Sb2Te3的电子特性和转角石墨烯的超导特性,对其结构和稳定性进行描述,进而指导实验完成了材料制备和性能测定。合理的理论计算可以构建材料清晰的物理图像,阐明其结构和稳定性等基本信息,对实验起到指导作用。

近日,大连理工大学物理学院高峻峰教授课题组与大连理工大学化工学院侯军刚教授课题组合作,开展理论模拟和实验观察的协同研究,通过缺陷工程在二维材料PtSe2中实现了HER/OER反应的双极催化能力。该工作加深了对缺陷影响材料性质的认识,为理论与实验协同驱动材料制备和应用提供了有益参考。

PtSe2是过渡金属硫属化物的一员,具有1T相基态结构、高载流子迁移率、独特的狄拉克费米子和优异的光电响应。针对目前对于缺陷PtSe2认识不足的问题,作者在PtSe2单层中引入了包括空位和吸附在内的常见点缺陷,对其稳定性和浓度进行了深入理论研究,为实验室对于PtSe2材料的制备和观测提供了清晰的理论图像。

图1. (a-e)Se缺陷结构及模拟STM图像;(f)缺陷相图及(g)缺陷浓度
图2. 缺陷PtSe2析氢反应催化能力的理论与实验结果

研究表明,PtSe2中Se空位缺陷对热扰动具有相当程度的稳定性,不容易被修复或汇聚为更大缺陷,因此可以被稳定利用。PtSe2具有大表面,是进行催化反应的良好平台。理论预测表明缺陷PtSe2对于析氢反应表现出低至-0.03 eV的自由能,同时对于析氧反应表现出低至0.406 V的过电势;实验测量证明缺陷PtSe2表现出Pt基材料少有的HER/OER双极催化能力,在1.0 M KOH溶液中达到10 mA cm-2电流密度所需电压分别为59 mV和1.54 V,Tafel斜率分别为88 mV dec-1和129.3 mV dec-1,在10 h下保持稳定电流密度,与理论预测相互验证。缺陷调控PtSe2中,Se缺陷将成为电荷局域中心,由此激发理想的电催化水分解反应性能。该思路适用于同族PtS2和PtTe2材料,并可推广到其他二维材料的性能调控,对于第一性原理预测与实验结合开展材料制备和应用提供了参考。

图3. 缺陷PtSe2析氧反应催化能力的理论与实验结果

上述工作得到国家自然科学基金(基金号:12074053, 91961204, 12004064),辽宁省兴辽英才项目(基金号:XLYC1907163),辽宁省重点研发指导计划项目(基金号:2020JH2/10500003)等基金的资助。

论文信息:

Excellent HER and OER Catalyzing Performance of Se-Vacancies in Defects-Engineered PtSe2: From Simulation to Experiment

Yuan CHANG, Panlong Zhai, Jungang Hou, Jijun Zhao, Junfeng Gao*

Advanced Energy Materials

DOI:10.1002/aenm.202102359

原文链接:https://doi.org/10.1002/aenm.202102359