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研究背景

單原子催化劑(SAC)具有選擇性高、性?xún)r(jià)比高、表面自由能高等優(yōu)點(diǎn)。然而，較高的表面自由能也成為單原子催化劑的缺點(diǎn)，可能在催化劑上形成金屬團(tuán)簇，導(dǎo)致催化劑的催化活性下降。上海電力大學(xué)吳江和劉曉婧等人設(shè)計(jì)了過(guò)渡金屬單原子(TM = Sc、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Cu)錨定在層狀VTe₂電解水催化劑上，利用Te原子的強(qiáng)電負(fù)性與過(guò)渡金屬TM形成強(qiáng)共價(jià)鍵，提高了催化劑的熱力學(xué)穩(wěn)定性和催化活性?；诘谝恍栽?，研究了它們對(duì)HER、OER和ORR的催化活性。計(jì)算結(jié)果表明，Cr@VTe₂和Fe@VTe₂對(duì)HER具有良好的催化活性，Ni@VTe₂對(duì)OER具有優(yōu)異的催化活性，F(xiàn)e@VTe₂和Ni@VTe₂對(duì)ORR具有顯著的催化活性，F(xiàn)e@VTe₂在一定條件下也可以成為三功能催化劑。這項(xiàng)工作為尋找高效、經(jīng)濟(jì)的多功能電解水催化劑開(kāi)辟了新的途徑。

計(jì)算方法

在本研究中，所有非自旋DFT計(jì)算都使用了Materials Studio中嵌入的Dmol³模塊。該方案基于密度泛函理論(DFT)，采用Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)交換相關(guān)泛函形式和廣義梯度近似(GGA)來(lái)描述電子交換相關(guān)相互作用。為了準(zhǔn)確處理氧化中間體和催化長(zhǎng)距離范德華相互作用，在TS方案中使用DFT + D方法進(jìn)行色散校正。兩個(gè)數(shù)值軌道組加上軌道偏振函數(shù)(DNP)被選擇處理核電子。為了保持高質(zhì)量結(jié)果和高計(jì)算成本之間的平衡，空間的全局軌道被截?cái)酁?.4 ??；贛onkhorst-Pack方法，使用3×3×1 k點(diǎn)網(wǎng)格采樣布里淵區(qū)域。對(duì)于幾何優(yōu)化，所有的原子結(jié)構(gòu)都是完全放松的,收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為1×10^-4 eV,最大力為2×10^-2?^-1,最大位移為5×10^-2 ?。

結(jié)果與討論

VTe₂為分層結(jié)構(gòu)，其俯視圖和側(cè)視圖如圖1a所示。本文首先研究了過(guò)渡金屬(TM = Sc，Ti，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Ni和Cu)吸附原子與VTe₂的相互作用，以研究它們的催化性能。為了確定最穩(wěn)定的構(gòu)型，考慮了所有可能具有不同VTe₂的表面位點(diǎn)(圖1b)，其中包括Te (1H)以上的空位和V (2H)以上的空位。經(jīng)幾何優(yōu)化后，不同位點(diǎn)結(jié)合能對(duì)比發(fā)現(xiàn)，1H位點(diǎn)是最穩(wěn)定的TM嵌入位置(圖1c為1H位點(diǎn)與2H位點(diǎn)結(jié)合能對(duì)比)。

用結(jié)合能E_bin評(píng)價(jià)TM@VTe₂體系的相對(duì)穩(wěn)定性。如圖1c，計(jì)算得到的TM吸附原子與VTe₂之間的結(jié)合能為負(fù)，說(shuō)明嵌入在VTe₂中的TM和Te原子在能量上是有利的。高結(jié)合能表明金屬TM原子與VTe₂結(jié)合良好，具有較高的穩(wěn)定性。它們的結(jié)合能在-3.60 ~ -6.50 eV之間，其中Cu原子的結(jié)合能最低(-3.60 eV)，而Ti原子的結(jié)合能最高(-6.50 eV)。結(jié)合強(qiáng)度由強(qiáng)到弱依次為：Ti、Co、Ni、Fe、Sc、Mn、Cr、Cu。此外，作者計(jì)算了結(jié)合能和結(jié)合能的差值ΔE。負(fù)ΔE意味著TM原子更有可能錨定在VTe₂單層的中空位置，而不是聚集在一起。結(jié)果表明，在VTe₂上錨定的Sc、Ti、Mn、Fe、Co、Ni和Cu的ΔE值均小于0，具有良好的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。雖然Cr@VTe₂的ΔE大于0，但當(dāng)擴(kuò)散勢(shì)壘足夠高，防止金屬原子形成團(tuán)簇時(shí)，Cr原子在VTe₂處也是穩(wěn)定的。需要注意的是，在VTe₂中引入Sc原子后，幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴(yán)重的變形，因此將在接下來(lái)的研究中排除了Sc@VTe₂。

【純計(jì)算】Appl. Surf. Sci.：過(guò)渡金屬單原子錨定VTe2用于高效的整體水分裂和析氧反應(yīng)

圖1 (a)左圖和右圖分別為VTe₂的俯視圖和側(cè)視圖(灰色: V原子，暗黃色: Te原子)。(b) VTe₂可能的吸附空位(紅色: 1個(gè)空位點(diǎn)，黃色: 2個(gè)空位點(diǎn))。(c) VTe₂表面不同空心位點(diǎn)TM原子的結(jié)合能。(d)金屬原子結(jié)合能E_bin與內(nèi)聚能E_coh之差。

此外，為了進(jìn)一步研究過(guò)渡金屬原子對(duì)VTe₂的影響進(jìn)行了差分電荷密度圖(圖2a)和d波段中心計(jì)算(圖2b)。利用差分電荷密度圖可以得到吸附在VTe₂表面的TM原子的電荷轉(zhuǎn)移情況。電荷密度差Δρ = ρ (TM@VTe₂) – ρ (VTe₂) – ρ (TM)，其中ρ (TM@VTe₂)、ρ (VTe₂)和ρ (TM)分別為T(mén)M@VTe₂、底物和TM原子的電荷密度。由圖3a可以看出，F(xiàn)e@VTe₂電荷密度差值在-0.1699 ~ 0.1483 e之間，Te和Fe原子之間的區(qū)域存在明顯的電荷積累，說(shuō)明Te和Fe原子之間形成了共價(jià)鍵，原子間的強(qiáng)相互作用會(huì)使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。值得注意的是，Ni@VTe₂表現(xiàn)出最強(qiáng)的電荷重分布，電荷密度差的范圍從-0.3543 e/?3到0.7181 e/?3，這可能是Ni@VTe₂表現(xiàn)出最高催化性能的原因之一。d波段中心(ε_d)描述了催化劑表面吸附物質(zhì)的強(qiáng)度。Ti@VTe₂、Cr@VTe₂、Mn@VTe₂和Fe@VTe₂的d帶中心較低，d中心減小，反鍵帶減小偶聯(lián)產(chǎn)生的反鍵帶減小，反鍵帶越低比費(fèi)米能級(jí)高，因此被電子填充，這降低了鍵合的穩(wěn)定性和吸附強(qiáng)度。H*更容易吸附和脫離催化劑表面。因此，預(yù)測(cè)Ti@VTe₂、Cr@VTe₂、Mn@VTe₂和Fe@VTe₂催化劑可能具有較好的HER活性。

圖2 (a) Fe@VTe₂差分電荷密度圖。(b) Cr@VTe₂催化劑態(tài)密度圖和d帶中心圖。

如圖3a-b所示，計(jì)算了TM@VTe₂催化劑上H原子吸附的ΔG_H*值。結(jié)果表明，吸附在TM@VTe₂上的H的ΔG_H*值為正。其中Ti@VTe₂、Cr@VTe₂、Mn@VTe₂、Fe@VTe₂、Co@VTe₂、Ni@VTe₂和Cu@VTe₂的ΔG_H*值分別為0.247 eV、0.180 eV、0.295 eV、0.176 eV、0.247 eV、0.495 eV和1.161 eV。Cu@VTe₂的ΔG_H*最高，說(shuō)明H在Cu@VTe₂上的吸附是一個(gè)動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定過(guò)程。Ti@VTe₂、Mn@VTe₂、Co@VTe₂和Ni@VTe₂ |ΔG_H*|值均大于0.20 eV，高于理想的ΔG_H*值，因此具有較低的HER活性。值得注意的是，Cr@VTe₂和Fe@VTe₂的ΔG_H*值非常接近理想值，因此這些催化劑具有高活性的HER性能。

圖3 (a) TM@VTe₂催化劑的析氫吉布斯自由能圖。(b) Ti@VTe₂, Co@VTe₂, Cr@VTe₂和Co@VTe₂催化劑放大后的析氫吉布斯自由能圖。

為了進(jìn)一步探索TM@VTe₂催化劑的HER性質(zhì)，可以用交換電流(i₀)來(lái)確定電子轉(zhuǎn)移的自然速率?；鹕角€由交換電流(i₀)率作為ΔG_H*的函數(shù)繪制，如圖3所示。結(jié)果表明，Cu@VTe₂和Ni@VTe₂位于火山的右下方，因?yàn)槠洇?em>G_H*值較大，H*難以吸附在催化劑表面，不適合作為有效的HER催化劑。值得注意的是，F(xiàn)e@VTe₂和Cr@VTe₂催化劑位于火山頂部，具有較大的交換電流(i₀)，因此Fe@VTe₂和Cr@VTe₂催化劑可以作為有效的HER催化劑，這與之前d帶中心的預(yù)測(cè)一致。

圖3 TM@VTe₂催化劑交換電流(i₀)和H吸附自由能(ΔG_H*)的HER火山圖。

實(shí)際催化劑中間體與活性位點(diǎn)的組合強(qiáng)度不同，因此所有ΔG值都不相等，最大ΔG值決定了OER過(guò)電位。圖4為吸附在VTe₂上的過(guò)渡金屬的OER四電子轉(zhuǎn)移過(guò)程。計(jì)算每個(gè)反應(yīng)的ΔG值，以評(píng)估TM@VTe₂催化劑的OER性能。

圖4 TM@VTe₂的OER四電子轉(zhuǎn)移路徑示意圖。

圖5給出了TM@VTe₂處OER各步的自由能分布，并計(jì)算了TM@VTe₂的ΔG_OH*、ΔG_O*和ΔG_OOH*值以及OER和ORR的過(guò)電位。另一方面，作者進(jìn)一步研究了TM@VTe₂的ORR催化活性。ORR是OER的逆反應(yīng)。圖4中VTe₂吸附過(guò)渡金屬的逆反應(yīng)ORR四電子轉(zhuǎn)移過(guò)程對(duì)應(yīng)的η^OER值計(jì)算結(jié)果如圖5所示。Ti@VTe₂催化劑具有負(fù)的ΔG_OH*值，表明Ti吸附原子與*OH中間體之間存在很強(qiáng)的相互作用，導(dǎo)致最終難以形成H₂O。反之，ΔG_OH*為正的催化劑的過(guò)電位要小得多。Cr@VTe₂、Mn@VTe₂、Co@VTe₂和Cu@VTe₂的η^ORR值分別為1.04 V、0.52 V、0.51 V和0.71 V，均高于最有利的Pt催化劑(0.45 V)的η^ORR值。Fe@VTe₂和Ni@VTe₂催化劑的η^ORR值較小，分別為0.43 V和0.36 V，適合ORR反應(yīng)。因此，F(xiàn)e@VTe₂和Ni@VTe₂是非常有利的ORR催化劑候選物。

圖5 在零電位(紅色數(shù)字為OER反應(yīng)的電位決定步驟)下計(jì)算的TM@VTe₂上OER/ORR的吉布斯自由能分布。

圖6a-b顯示了不同TM@VTe₂體系的吉布斯自由能與含氧中間體(ΔG_O*、ΔG_OH*、ΔG_OOH*)的相關(guān)關(guān)系(ΔG_OH*與ΔΔG_OOH*的關(guān)系中，Cr@VTe₂ 催化劑與其他數(shù)據(jù)偏差較大，因此去掉了)。ΔG_OH*與ΔG_O*、ΔG_OH*與ΔG_OOH*存在線性相關(guān)關(guān)系。線性相關(guān)表示為:ΔG_O*=1.04ΔG_OH*+0.71、ΔG_OOH*=0.43ΔG_OH*+3.56，決定系數(shù)(R²)分別為0.91、0.85，說(shuō)明ΔG_O*與ΔG_OH*、ΔG_OH*與ΔG_OOH*具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性。

圖6c-d顯示了ΔG_OOH*-ΔG_OH*和過(guò)電位η^OER、ΔG_OH*和過(guò)電位η^ORR的火山圖。結(jié)果表明，Ti@VTe₂位于兩個(gè)火山的底部，表現(xiàn)出較大的ORR和OER過(guò)電位，因此Ti@VTe₂不是一個(gè)適合用于ORR和OER的催化劑。在OER火山圖中，Ni@VTe₂位于火山的頂部，具有最好的OER催化性能。在ORR火山圖中，有兩種催化劑位于火山的上頂點(diǎn)，Ni@VTe₂和Fe@VTe₂，可以作為合適的ORR候選催化劑。值得注意的是，Ni@VTe₂同時(shí)位于OER火山和ORR火山的頂部，η^OER火山和η^ORR火山最低（分別為0.34V和0.36V）。中間體的吉布斯自由能變化接近于理想催化劑，表明Ni@VTe₂是一種具有優(yōu)良的OER和ORR雙功能催化劑。

圖6 (a) TM@VTe₂催化劑ΔG_O*與ΔG_OH*的尺度關(guān)系。(b) TM@VTe₂催化劑ΔG_OOH*與ΔG_OH*之間的尺度關(guān)系。(c) η^OER和ΔG_OOH*-ΔG_OH*火山圖。(d) η^ORR和ΔG_OH*火山圖。

結(jié)論與展望

綜上所述，利用密度泛函理論對(duì)一系列過(guò)渡金屬單原子吸附于VTe₂催化劑進(jìn)行了電解水催化性能研究。結(jié)果是所有的過(guò)渡金屬原子都被固定在1H位點(diǎn)上VTe₂，由于負(fù)極具有優(yōu)異的熱力學(xué)穩(wěn)定性結(jié)合能和團(tuán)簇能，所以金屬不易形成團(tuán)簇。根據(jù)電荷密度差分析，又由于Te原子的電負(fù)性，產(chǎn)生了較強(qiáng)的共價(jià)鍵在TM原子和Te原子之間形成，形成催化劑更具有優(yōu)異的催化性能和熱力學(xué)穩(wěn)定性。通過(guò)計(jì)算TM@VTe₂催化劑中間產(chǎn)物的自由能，合理確定了兩種有前途的HER催化劑Cr@VTe₂和Fe@VTe₂。值得注意Ni@VTe₂是一種雙功能催化劑，具有優(yōu)異的OER和ORR催化性能，過(guò)電位分別為0.34 V和0.36 V。令人興奮的是，F(xiàn)e@VTe₂有望成為三功能催化劑，HER，OER和ORR過(guò)電位為0.18 V，分別為0.83 V和0.43 V。本研究結(jié)果為在環(huán)境條件下設(shè)計(jì)更活躍、更經(jīng)濟(jì)、更高效的電催化劑提供了理論依據(jù)。

文獻(xiàn)信息

Fan W, Liu C, Hu C, et al. (2023). Transition metal single atoms anchoring VTe₂ for efficient overall water splitting and Oxygen Reduction Reactions: A first principles study. Applied Surface Science.

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.157611.

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