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【計算+實驗文獻精讀】Materials Studio CASTEP模塊，一篇Advanced Materials！

【MS計算培訓匯總】建模，DFT/分子動力學，吸附與催化，正負極材料，固/液態(tài)電解質(zhì)，反應(yīng)/遷移能壘，CO2RR/OER/HER

具有固有多孔結(jié)構(gòu)和良好分散的金屬位點的金屬有機框架（MOF）是電催化有希望的候選者；然而，大多數(shù)MOF的催化效率受到它們在電催化過程中形成中間體的吸附/解吸能和非常低的電導率的顯著限制。

鑒于此，哈爾濱工程大學陳玉金教授團隊將Co原子引入到導電的兒茶酚酸銅(Cu-CAT)納米棒陣列中，該陣列直接生長在柔性碳布上，用于析氫反應(yīng)(HER)。

電化學結(jié)果表明，Co引入的 Cu-CAT 納米棒陣列只需要52和143 mV的過電位即可在堿性和中性介質(zhì)中分別驅(qū)動10 mA cm^-2的電流密度用于HER，遠低于大多數(shù)報道的非貴金屬基電催化劑，可與基準Pt/C電催化劑相媲美。

密度泛函理論計算表明，Co的引入可以優(yōu)化Cu位點的氫吸附能(ΔG_H*)，幾乎接近Pt(111)的吸附能。此外，CuCo-CAT中Co位點的水吸附能(Δ??_??2??)明顯低于Cu與Co偶聯(lián)后的Cu位點，有效加速了HER過程中的Volmer步驟。在CC基板上原位生長MOF納米棒陣列不僅賦予陰極開放的多孔互連結(jié)構(gòu)，而且避免使用任何粘合劑，從而使HER在堿性和中性電解質(zhì)中具有強大的穩(wěn)定性。雙金屬的協(xié)同效應(yīng)為合理設(shè)計高效MOF基電催化劑開辟了新途徑。

圖 1. a) CuCo-CAT的結(jié)構(gòu)，b) CuCo-CAT/CC、Cu-CAT/CC和模擬Cu-CAT的XRD圖，c) Cu-CAT/CC和CuCo-CAT/CC的Cu 2p XPS譜圖, d) Co(OH)x/CC和CuCo-CAT/CC的Co 2p XPS譜圖。

圖 2. a,b) SEM圖像，c,d) TEM和HRTEM圖像，以及 e) TEM圖像和CuCo-CAT/CC的相應(yīng)EDX映射。a)中的比例尺：1.5 μm，b)：500 nm，c)：80 nm，d)：15 nm，e)：200 nm。

圖 3. a) LSV曲線，b) 100 mA cm^?2下的過電位和c) CuCo-CAT/CC、Cu-CAT/CC、Co(OH)x/CC 和 Pt/C/CC在堿性條件下對HER的Tafel斜率。d)具有不同Co含量的CuCo-CAT 納米棒陣列的火山圖，e) CuCo-CAT/CC、Cu-CAT/CC和Co(OH)x/CC的EIS圖。f) CuCo-CAT/CC 在1000次循環(huán)前后的LSV曲線。f)中的插圖顯示了10 mA cm^-2下10小時的計時電位曲線。

為了從分子水平深入了解 CuCo-CAT/CC 在堿性環(huán)境中的出色HER性能，他們通過Materials Studio軟件中的CASTEP模塊進行了DFT計算。示意圖模型包括 CuCo-CAT 和 Cu-CAT，如圖 1a 所示。由于CuCo-CAT和Cu-CAT晶體結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，因此簡化了結(jié)構(gòu)模型以通過DFT計算粗略評估H*的吉布斯自由能。

一般來說，理想的HER催化劑應(yīng)該具有較低的|ΔG_H*|值。在制備的催化劑中吸附在不同金屬位點上的H*的優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖 S29a-c所示。DFT計算表明CuCo-CAT（Co 位點作為活性中心）的|ΔG_H*|值為 0.34 eV，遠低于Cu-CAT（0.46 eV，Cu原子作為活性中心）（圖 4a）。當氫被吸附在Cu位點上時， CuCo-CAT的|ΔG_H*|值顯著降低至0.14 eV，也遠低于 Cu-CAT（0.46 eV）。因此，Co的引入可以優(yōu)化Cu-CAT的ΔG_H*，從而提高其HER活性。值得注意的是，摻雜的Cu-CAT中Cu位點上H*的吉布斯能量比Co位點上的更接近于零。因此，CuCo-CAT中的Cu位點充當HER的潛在活性中心。

圖 4. a) Cu-CAT、Pt (111)、Cu和Co位點在CuCo-CAT中的HER的DFT計算的ΔG_H*，以及 b) Cu-CAT和CuCo-CAT表面上H₂O的吸附能，c) Cu-CAT和CuCo-CAT的部分態(tài)密度(PDOS)。

在堿性或中性電解質(zhì)中的HER過程中，由于吸附水分子的有效質(zhì)子供體，水（H₂O）分子在電催化劑表面的吸附也在相應(yīng)的質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移動力學中發(fā)揮重要作用。因此，他們進一步計算了Cu-CAT和CuCo-CAT上的水吸附能（Δ??_H2O）（圖 4b）。計算結(jié)果表明，CuCo-CAT的Δ??H2O值低于Cu-CAT，表明Co的摻入也可以優(yōu)化水的吸附能。有趣的是，水在CuCo-CAT的Co位點的吸附能為-0.88 eV，比CuCo-CAT（-0.56 eV）和Cu-CAT（-0.31 eV）的Cu位點的吸附能更負，表明摻雜MOF中的Co原子是更能吸附H₂O的位點。

一般來說，雜原子摻雜經(jīng)常改變相鄰原子的電子結(jié)構(gòu)，從而可以調(diào)節(jié)材料的物理化學性質(zhì)。為了研究Co的摻入對Cu-CAT電子性質(zhì)的影響，研究了摻雜后Cu-CAT的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度（DOS）的變化。如圖 S30a,-b所示，Cu-CAT和CuCo-CAT的能帶結(jié)構(gòu)圖中不存在帶隙，表明它們的金屬性質(zhì)。然而，在Co摻雜后，與Cu-CAT相比，靠近費米能級的CuCo-CAT的DOS增加（圖4c和圖 S30），主要來源于Co的d軌道和O的p軌道雜化，與EIS和霍爾效應(yīng)測量一致。這表明通過Co摻雜可以提高Cu-CAT 的導電性，促進電催化過程中的電荷傳輸。

根據(jù)實驗結(jié)果和 DFT 計算，他們的自支撐電極增強的HER特性與以下因素有關(guān)：

i) Co和Cu節(jié)點之間的協(xié)同效應(yīng)。Co摻雜劑不僅優(yōu)化了HER的Cu位點上的ΔG_H*，還有效增強了自支撐電極對水分子的吸附能力。在HER過程中，具有更多負Δ??_H2O的Co原子可以作為吸附水的位點，促進Volmer步驟。

另一方面，具有有益ΔG_H*值的Cu位點加速了 Heyrovsky步驟。因此，Cu原子作為真正的活性位點，Co原子作為協(xié)同位點，保證了H₂O的及時吸附和氫氣的產(chǎn)生。

ii) 高導電性。Cu-CAT納米棒具有高電導率，可以通過引入Co進一步提高。因此，納米棒陣列的高電導率有利于HER過程中的電荷轉(zhuǎn)移。

iii)自支撐電催化劑的獨特結(jié)構(gòu)。納米棒陣列在CC上的直接生長導致形成3D互連結(jié)構(gòu)，這不僅為電解質(zhì)的快速擴散和產(chǎn)生的氣體的快速釋放提供了足夠的空隙空間，而且為HER提供了納米棒陣列的強大結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

iv)自支撐電極的無粘合劑特征。自支撐電極克服了由于使用粘合劑制造電極而導致的活性位點受阻、電阻增加和電催化劑從集電器中浸出等缺點。

總之，開發(fā)了一種簡便的方法來在CC上制造基于導電雙金屬的CAT納米棒陣列作為堿性和中性介質(zhì)中HER的自支撐電極。DFT計算表明，Co的摻入不僅顯著提高了Cu-CAT的吸水能力，而且優(yōu)化了H*在催化劑表面的吸附和解吸，分別促進了Volmer和Heyrovsky步驟。此外，Cu-CAT的電導率也因Co的摻入而增加。CuCo-CAT/CC的這些優(yōu)點及其獨特的結(jié)構(gòu)賦予了其在堿性和中性電解質(zhì)中優(yōu)異的HER活性和穩(wěn)定性，可與Pt/C/CC相媲美。我們在本研究中提出的策略為設(shè)計用于高效電解的導電MOF提供了一種新方案。

Bo Geng, Feng Yan, Xiao Zhang, Yuqian He, Chunling Zhu, Shu-Lei Chou, Xiaoli Zhang, Yujin Chen. Conductive CuCo-Based Bimetal Organic Framework for Efficient Hydrogen Evolution. Advanced Materials

文章鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202106781

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