Work-function-induced Interfacial Built-in Electric Fields in Os-OsSe2 Heterostructures for Active Acidic and Alkaline Hydrogen Evolution
大分子 催化开天地 2022-08-03 08:18 发表于广东
武汉理工大学木士春等人报道采用DFT理论计算发现，具有中和功函数 (WF) 的 Os-OsSe2异质结平衡强 (Os) 和弱 (OsSe2) 吸附剂之间的电子态，并双向优化了 Os 位点的析氢反应 (HER) 活性，显著降低热力学能垒并加速动力学过程。实验上首次构建Os-OsSe2异质结，由于电荷平衡效应赋予的高活性位点，Os-OsSe2 在酸性和碱性介质中均表现出超低的 HER 过电位，在10 mA cm-2的电流密度下分别为26 mV和23 mV。
DFT首先计算Os、OsSe2 和 Os-OsSe2 上 HER 过程的吉布斯自由能 (G) 变化。Os、OsSe2、Os-OsSe2/Os 和 Os-OsSe2/OsSe2 中 Os 位点的 H* 吸附量分别为 -0.45、-0.35、0.11 和 -0.03 eV，表明将Os 和 OsSe2 整合成Os-OsSe2可以提高HER 活性。Os在Os-OsSe2中的Os金属侧失去电子，Os的过强ΔGH*被削弱。相反，OsSe2 侧的 Os 获得电子，OsSe2 较弱的 ΔGH* 增强。因此实现氢结合能的双向优化，赋予Os-OsSe2高HER活性位点。继续通过差分电荷密度（DCD）进一步探索Os-OsSe2的界面特性和电子变化。Os通过电子相互作用与OsSe2化学键合，并且伴随着界面处从Os到OsSe2的1.13 e- 的电子转移。另外，电子局域功函确定Os-OsSe2异质结构的界面上存在化学键和电子局部分布。二维切片显示 Os-OsSe2 超晶胞界面处的 Os 和 OsSe2 的化学键分配给 Os-Os 和 Os-Se 键。得益于界面处的电荷转移，与纯 Os 和 OsSe2 相比，Os-OsSe2 在费米能级附近具有更高的密度态。以上结果表明，Os-OsSe2 上的 HER 过程具有更快的催化动力学和更高的电子电导率。
进一步计算功函数 (WF) 理解电子转移的内在驱动机制和界面平衡效应。计算结果表明Os-OsSe2的WF介于Os和OsSe2之间，从而减少Os对H*的强吸附，增加OsSe2的弱吸附，实现ΔGH*的双向优化。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, e202208642https://doi.org/10.1002/anie.202208642