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木士春Angew.: Os-OsSe2異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)建電場(chǎng)用于酸性和堿性HER

武漢理工大學(xué)木士春等人報(bào)道采用DFT理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，具有中和功函數(shù) (WF) 的 Os-OsSe₂異質(zhì)結(jié)平衡強(qiáng) (Os) 和弱 (OsSe₂) 吸附劑之間的電子態(tài)，并雙向優(yōu)化了 Os 位點(diǎn)的析氫反應(yīng) (HER) 活性，顯著降低熱力學(xué)能壘并加速動(dòng)力學(xué)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)上首次構(gòu)建Os-OsSe₂異質(zhì)結(jié)，由于電荷平衡效應(yīng)賦予的高活性位點(diǎn)，Os-OsSe₂ 在酸性和堿性介質(zhì)中均表現(xiàn)出超低的 HER 過(guò)電位，在10 mA cm^-2的電流密度下分別為26 mV和23 mV。

DFT首先計(jì)算Os、OsSe₂和 Os-OsSe₂上 HER 過(guò)程的吉布斯自由能 (G) 變化。Os、OsSe₂、Os-OsSe₂/Os 和 Os-OsSe₂/OsSe₂ 中 Os 位點(diǎn)的 H* 吸附量分別為 -0.45、-0.35、0.11 和 -0.03 eV，表明將Os 和 OsSe₂ 整合成Os-OsSe₂可以提高HER 活性。Os在Os-OsSe₂中的Os金屬側(cè)失去電子，Os的過(guò)強(qiáng)ΔG_H*被削弱。相反，OsSe₂ 側(cè)的 Os 獲得電子，OsSe₂ 較弱的 ΔG_H*增強(qiáng)。因此實(shí)現(xiàn)氫結(jié)合能的雙向優(yōu)化，賦予Os-OsSe₂高HER活性位點(diǎn)。

繼續(xù)通過(guò)差分電荷密度（DCD）進(jìn)一步探索Os-OsSe₂的界面特性和電子變化。Os通過(guò)電子相互作用與OsSe₂化學(xué)鍵合，并且伴隨著界面處從Os到OsSe₂的1.13 e^– 的電子轉(zhuǎn)移。另外，電子局域功函確定Os-OsSe₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面上存在化學(xué)鍵和電子局部分布。二維切片顯示 Os-OsSe₂超晶胞界面處的 Os 和 OsSe₂的化學(xué)鍵分配給 Os-Os 和 Os-Se 鍵。得益于界面處的電荷轉(zhuǎn)移，與純 Os 和 OsSe₂相比，Os-OsSe₂在費(fèi)米能級(jí)附近具有更高的密度態(tài)。以上結(jié)果表明，Os-OsSe₂ 上的 HER 過(guò)程具有更快的催化動(dòng)力學(xué)和更高的電子電導(dǎo)率。

進(jìn)一步計(jì)算功函數(shù) (WF) 理解電子轉(zhuǎn)移的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)機(jī)制和界面平衡效應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明Os-OsSe₂的WF介于Os和OsSe₂之間，從而減少Os對(duì)H*的強(qiáng)吸附，增加OsSe₂的弱吸附，實(shí)現(xiàn)ΔG_H*的雙向優(yōu)化。

Ding Chen, Ruihu Lu et al. Work-function-induced Interfacial Built-in Electric Fields in Os-OsSe₂ Heterostructures for Active Acidic and Alkaline Hydrogen Evolution. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202208642

https://doi.org/10.1002/anie.202208642

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