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Étude théorique de cas WS2 :amélioration des performances de stockage de l'hydrogène grâce à la modification de phase

Résumé

L'hydrogène est une énergie propre à haut rendement, tandis que les problèmes de stockage et de transport empêchent encore son utilisation intensive. En raison de la grande surface spécifique et de la structure électronique unique, les matériaux bidimensionnels ont un grand potentiel pour le stockage de l'hydrogène. En particulier, monocouche 2H-WS2 s'est avéré approprié pour le stockage d'hydrogène. Mais il existe peu d'études concernant les deux autres phases de WS2 (1T, 1T′) en stockage d'hydrogène. Ici, nous avons effectué des calculs de premier principe pour étudier les comportements d'adsorption d'hydrogène des trois phases de WS2 . Des études d'adsorption d'hydrogène multiples évaluent également les capacités de stockage d'hydrogène de ces matériaux. Des résultats d'analyse complets montrent que le 1T′-WS2 a de meilleures performances de stockage d'hydrogène que le 2H-WS2 , ce qui signifie que l'ingénierie de phase pourrait être un moyen efficace d'améliorer les performances de stockage de l'hydrogène. Cet article fournit une référence pour une étude plus approfondie du stockage de l'hydrogène dans les matériaux bidimensionnels.

Introduction

Le stockage conventionnel de l'hydrogène comporte des risques considérables en raison de sa faible inflammation, de sa large plage d'inflammabilité et de la fragilisation de l'acier [1, 2]. Bien que les hydrures métalliques, tels que CaH2 , peuvent stocker de grandes quantités d'hydrogène, ils sont non seulement inflammables lorsqu'ils sont mouillés mais aussi coûteux et difficiles à réutiliser. Par conséquent, la recherche d'un matériau de stockage d'hydrogène sûr, économique et efficace est devenue une préoccupation répandue [3]. En raison de leur grande surface spécifique et de leurs propriétés électroniques uniques, les matériaux bidimensionnels (2D) ont été largement utilisés dans de nombreux domaines tels que la séparation photocatalytique de l'eau, la réaction de dégagement d'hydrogène, les transistors, les dispositifs électroluminescents, le stockage de gaz et l'adsorption de gaz [4, 5,6,7,8,9]. Par exemple, l'adsorption d'hydrogène sur le graphène entraîne la réhybridation des orbitales de valence du carbone en transformant C–C π lien avec C–H σ liaison, qui pourrait induire la bande interdite et le moment magnétique autour du niveau de Fermi, de sorte que l'hydrogénation du graphène offre une possibilité passionnante d'écrire directement des circuits électroniques à l'échelle atomique avec des motifs prédéfinis [10]. Le succès des matériaux à base de graphène a également motivé des recherches vers d'autres matériaux 2D appliqués à l'adsorption ou au stockage de gaz [11,12,13,14]. Plus important encore, les matériaux monocouches de bisulfure de métal de transition (TMD) ont particulièrement montré d'excellentes performances dans le stockage d'hydrogène [15].

La capacité de stockage de l'hydrogène pourrait être évaluée par la force d'adsorption des molécules de gaz à la surface du matériau [16]. La force d'adsorption ne doit pas être trop forte ou trop faible car les molécules de gaz cibles sont difficiles à séparer du matériau sous une forte force d'adsorption ou adsorbées de manière instable sous une faible force d'adsorption [17]. Les énergies de liaison moyennes par molécule d'hydrogène des matériaux de stockage d'hydrogène appropriés sont de - 0,2 à - 0,6 eV à température ambiante (environ 25 °C) [12]. Cependant, les matériaux originaux tels que le graphène ou les TMD ont le défaut que leur force de liaison aux molécules d'hydrogène est trop faible [18, 19]. Les méthodes de fonctionnalisation de surface ont généralement été utilisées pour améliorer leurs propriétés d'adsorption d'hydrogène. Par dopage ou processus de décoration, les caractéristiques de surface des matériaux 2D peuvent être modifiées pour s'adapter à la plage d'énergie d'adsorption d'hydrogène modérée, et les performances de stockage d'hydrogène peuvent être encore améliorées [20]. Cependant, il est difficile de maintenir la stabilité des systèmes de décoration [21, 22]. Et il est difficile de doper ou de décorer avec précision [23]. De telles méthodes sont théoriquement réalisables, mais loin d'être des applications.

En tant que TMD typiques, MoS2 et WS2 ont prouvé leur excellent potentiel d'application dans le domaine du stockage d'hydrogène [24, 25]. En raison de ses performances catalytiques supérieures et de ses propriétés électriques uniques, MoS2 est largement concerné dans de nombreux domaines [26], et WS2 est souvent négligé. Par rapport au MoS monocouche2 , WS2 a une meilleure stabilité thermique [27, 28] et une plus grande énergie de liaison avec les molécules d'hydrogène sous contrainte de compression [29]. Il est connu que WS2 possède également deux autres phases (1T/1T′), qui ont des symétries distinctes et des propriétés électroniques différentes. Des études antérieures ont montré qu'ils peuvent être préparés par des méthodes simples [30, 31]. La plupart des méthodes étaient basées sur la transition de phase à partir de la phase 2H WS2 et combiné avec des moyens de stabilisation. De nombreuses études ont montré une préparation réussie de 1T/1T′-WS2 stable et à pourcentage élevé (Tableau S1). Récemment, le 1T-WS2 métallique et sa ramification 1T′-WS2 ont démontré un grand potentiel dans les applications de réaction d'évolution d'hydrogène (HER) [23, 32]. Les résultats de la recherche ont montré que leur surface a une force d'adsorption modérée à l'intermédiaire de réaction H*. Cela ouvre la voie à leurs autres applications liées à l'adsorption d'hydrogène comme le stockage d'hydrogène. Cependant, il existe peu d'études concernant les propriétés de stockage d'hydrogène de ces deux phases de WS2 . Les effets de la différence de phase sur le stockage de l'hydrogène ont toujours été ignorés.

Dans ce travail, nous avons étudié les trois phases de WS2 pour comparer leur aptitude à être un matériau de stockage d'hydrogène. Nous avons effectué une étude théorique systématique des structures et analysé l'énergie d'adsorption et la configuration d'adsorption des molécules de gaz. Pour simuler des conditions de travail réelles, l'adsorption de nombreuses molécules d'hydrogène a été étudiée. Avec les résultats de calcul dans ce travail, nous avons trouvé que 1T′-WS2 est le meilleur candidat parmi ces trois phases de WS2 comme matériau de stockage d'hydrogène. Modification de la phase de WS2 améliore le stockage de l'hydrogène. Ainsi, il peut fournir une référence pour la recherche de stockage d'hydrogène par des matériaux bidimensionnels en vue de phase.

Détails de calcul

Les premiers principes ont été utilisés sur la base de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Tous les calculs de ce travail ont été effectués en Dmol3 [33]. L'approximation de densité locale (LDA) est utilisée pour gérer les potentiels d'échange et de corrélation avec la fonction PWC. Le potentiel productif unique a été utilisé pour remplacer le noyau (pseudopots semi-cœurs DFT) afin de réduire le coût de calcul. Une plus grande précision a été obtenue en choisissant un ensemble de base orbitale numérique double et une fonction de polarisation orbitale (DNP). Ensuite, un test de convergence a été effectué. Après le test, le Monkhorst-Pack k -points a été défini sur 4 × 4 × 1, puis créez une couche de vide de 20 pour éviter les interactions entre les couches. La précision de convergence d'énergie a été fixée à 1 × 10 −5 Hartree (1 Hartree =27,212 eV), le déplacement maximum était de 0,005 Å et les forces atomiques ne dépassaient pas 0,002 Hartree/Å. Tous les calculs ultérieurs suivent ces propriétés.

Pour ces trois phases de WS2 (1T/1T′/2H), les modèles de calcul étaient des supercellules de 4 × 4 monocouche WS2 . Le 1T-WS2 et 2H-WS2 les structures ont d'abord été construites par nous-mêmes. Une fois la construction terminée, une optimisation géométrique est effectuée, y compris une optimisation unitaire. Et le 1T′-WS2 a été construit sur la base de l'existant 1T′-MoS2 . Alors que le 1T′-MoS2 a été construit sur la base d'un modèle 2 × 2 1T, un seul atome d'hydrogène a été joint à un atome S du 1T MoS2 . Ensuite, le système a reçu une autre optimisation géométrique. Après optimisation, les atomes d'hydrogène ont été retirés et optimisés à nouveau pour obtenir le 1T′-MoS2 régulier structure. Après cela, tous les atomes Mo ont été remplacés par des atomes W dans un modèle 2 × 2, puis ont subi une optimisation de la géométrie, y compris une nouvelle optimisation des cellules.

Avec le WS optimisé 2 × 22 modèle, une supercellule de 4 × 4 monocouche WS2 a été construit. Comme le montre la figure S1, les modèles de ces trois phases de WS2 contiennent 32 atomes S et 16 atomes W dans une cellule. Étant donné que 16 des 25 atomes W présentés dans le modèle de phase 1T se trouvent sur les sites du bord ou du coin, la quantité valide d'atomes W dans la cellule est toujours de 16. Les liaisons entre chaque atomes W dans le modèle 1T ou 2H sont égales tandis que ceux de 1T′-WS2 ne sont pas égaux. Avec le lien W–W dans 1T′-WS2 , l'arrangement des atomes W ressemble à une chaîne en zigzag.

Par conséquent, la phase 1T′ est également appelée phase en chaîne en zigzag dans certaines études. Nous pouvons trouver des unités répétées dans les trois structures qui ont des caractères en commun. Comme le montrent les illustrations de la figure 1, les cases vertes représentent les unités répétitives avec seulement des atomes W sur le bord, tandis que les rouges sont celles délimitées par des atomes S. En raison de la différence de symétrie, la taille de la boîte verte dans le modèle 1T′ est presque deux fois plus grande que celle du modèle 1T. La boîte rouge dans les modèles 1T ou 1T′ est un hexagone, mais dans le modèle 2H, c'est un triangle. Il existe également des unités répétitives similaires dans 1T et 1T′-WS2 structures, telles que la zone rectangulaire bleue de la figure S1. En outre, les éléments axisymétriques indiqués dans les cases rouges dans les modèles 1T et 1T′ peuvent également être trouvés sur la figure S1 et pourraient également représenter la symétrie de 1T et 1T′-WS2 structure.

Résultats de la structure géométrique, du DOS et de la structure de bande de a 2H-WS2 , b 1T-WS2 , et c 1T′-WS2; les boules jaunes représentent S et les boules glauques représentent W

Une seule molécule d'hydrogène a été placée sur le c -axe au-dessus du WS2 plan pour établir un modèle d'adsorption d'hydrogène, et plusieurs sites d'adsorption à haute symétrie géométrique ont été sélectionnés. Pour le cas de 1T-WS2 montré dans la figure S2 (b) et (e), il y avait cinq sites :juste au-dessus de l'atome S de la couche supérieure, juste au-dessus de l'atome S de la couche inférieure, juste au-dessus de l'atome W, au-dessus de la liaison de l'atome W, et la couche supérieure L'atome S, au-dessus de la liaison de l'atome W et de l'atome S de la couche inférieure. Et pour 1T′-WS2 , ces six situations sont illustrées à la figure S2 (c) et (f). Pour 2H-WS2 illustré à la figure S2 (a) et (d), il y avait quatre situations :juste au-dessus du site de l'atome S, juste au-dessus du site de l'atome W, au-dessus du milieu du site de l'atome W et de l'atome S, et juste au-dessus du centre du structure hexagonale. Ces sites ont été choisis car ce sont des sites hautement symétriques de ces matériaux. Après des optimisations géométriques données et une comparaison de l'énergie d'adsorption, des sites d'adsorption stables ont pu être trouvés. Et nous avons distingué la posture de la molécule d'hydrogène adsorbée sur le 1T′-WS2 en raison de sa symétrie structurelle relativement plus faible. Les molécules d'hydrogène ont été placées horizontalement ou verticalement (comme le montre la figure S3), ce qui a doublé la situation. Après l'optimisation de la géométrie, toute l'énergie d'adsorption est présentée dans le tableau S2. Les sites d'adsorption les plus stables ont été choisis en fonction des résultats d'énergie d'adsorption. Pour le procédé d'adsorption d'hydrogène, l'énergie d'adsorption est calculée par la fonction suivante :E annonce =E totE tapisE hy , où E tot est l'énergie totale de chacune de ces trois phases de WS2 avec les molécules d'hydrogène adsorbées, E tapis (énergie du matériau) représente l'énergie totale du WS2 vierge , et E hy représente l'énergie totale d'une molécule d'hydrogène isolée. Selon cette relation, une valeur absolue plus élevée de E annonce conduit à une plus grande stabilité du système d'adsorption. La force agissant entre les matériaux et les molécules de gaz cibles peut également être reflétée par la valeur absolue de E annonce . Une force de répulsion est représentée par une valeur positive de E annonce , tandis qu'une valeur négative reflète une force d'attraction. Bien que l'énergie d'adsorption exacte n'ait pas pu être obtenue par cette méthode [34], elle peut refléter la forme et la force de l'interaction entre l'hydrogène et le matériau adsorbant. Comme présenté ci-dessus, l'énergie d'adsorption idéale pour les applications de stockage d'hydrogène pour chaque molécule d'hydrogène est de − 0,2 à − 0,6 eV/H2 à température ambiante [35].

Résultats et discussion

Pour tous ces modèles de matériaux, les structures les plus énergétiques ont pu être trouvées après optimisation de la géométrie. Les longueurs de toutes les liaisons WS dans la monocouche 1T-WS2 et 2H-WS2 sont respectivement 2,428 Å et 2,402 Å. Mais ceux du 1T′-WS2 sont inégaux, qui ont des longueurs d'environ 2,453 Å, 2,410 Å et 2,490 Å. On peut également constater que les liaisons W-W dans le modèle 1T′ optimisé ont une longueur d'environ 2,784 Å. Structures de bande de toutes ces trois phases de WS vierge optimisée2 sont représentés sur la figure 1. Pour la phase métallique 1T, il n'y a pas de bande interdite. Et pour la phase 1T′, il a une structure de bande semi-métallique. Pendant la phase 2H, la structure de la bande est en accord avec la caractéristique d'un semi-conducteur. La densité d'état partielle (PDOS) de ces trois modèles est également illustrée à la figure 1. Les résultats de PDOS montrent que la forme des orbites Sp et Wd est la plus similaire à celle de la DOS totale dans ces trois figures. , indiquant que les orbites Sp et Wd ont contribué au DOS total, principalement pour ces trois phases de WS2 . La tendance des résultats DOS de 1T′-WS2 est conforme à la structure de bande et est en accord avec l'étude précédente [32]. Les différentes positions des molécules d'hydrogène absorbées ont été comparées pour trouver les plus stables dans ces trois modèles. Les postes ont été choisis en fonction du E annonce et Hirschfeld chargent les résultats des situations énumérées concernant les molécules d'hydrogène simples absorbées dans les structures de ces trois phases (le E annonce et les résultats de charge de Hirschfeld sont présentés dans les figures 2a–c et le tableau S2). Pour 1T WS2 , c'est le site 3, et pour 1T′-WS2 , il s'agit du site 1 (comme le montre la Fig. 2b, c), tandis que pour 2H-WS2 , il s'agit du site 3 (tous représentés sur la figure 2a et le tableau S2-S3). Sur la base de ces résultats, d'une part, la phase 1T WS2 n'est pas adapté à l'adsorption d'hydrogène car le E annonce pour l'hydrogène sur 1T WS2 est bien significative que 0,6 eV (tableau S2). Cela signifie qu'il sera trop difficile de libérer les molécules d'hydrogène adsorbées du 1T WS2 surface. D'après ce résultat, les études suivantes ne devraient pas concerner cette phase. Le E annonce les résultats de la phase 1T′ et de la phase 2H sont d'environ − 0,27 eV, les deux sont dans la plage d'énergie d'adsorption applicable pour les applications de stockage d'hydrogène.

Résultats de l'énergie d'adsorption de H2 système d'adsorption pour a simple H2 sur 2H-WS2, b et c simple H2 sur 1T'-WS2; Résultats PDOS de la situation avec le Ead le plus bas (gauche) ou le plus élevé (droite) en d Les modèles 2H et celui en e Modèle 1T'

Pour comparer davantage ces deux phases, l'analyse PDOS a été effectuée, ce qui est illustré à la Fig. 2d, e. Les parties de gauche montrent les énergies d'adsorption PDOS les plus faibles des deux phases, tandis que les parties de droite sont les deux les plus élevées. Il existe de petites différences dans les deux situations de l'énergie la plus basse ou la plus élevée. Dans la partie gauche de la figure 2d, e (qui correspond à l'énergie d'adsorption la plus faible), les principaux pics sont tous les deux à - 3 à - 5 eV. Alors que pour la partie droite (qui représente l'énergie d'adsorption la plus élevée), elle apparaissait entre - 2,5 et - 6 eV. Cette apparence signifie qu'il y a une plus grande superposition entre le PDOS de la molécule d'hydrogène et WS2 , ce qui indique une interaction plus forte entre eux. Ces résultats concordent bien avec les résultats d'énergie d'adsorption. Cependant, les résultats PDOS pour les situations à une seule molécule d'hydrogène ne pouvaient toujours pas bien refléter la différence de propriété d'adsorption d'hydrogène entre ces deux types de matériaux.

Par conséquent, nous avons fait l'étude sur différents nombres de molécules d'hydrogène adsorbées à la surface de 1T′ et 2H-WS2 . Comme le montre la figure S4, nous avons défini différents nombres de molécules d'hydrogène (16, 32, 48 et 64) à la surface de 1T′ et 2H-WS2 . Pour 1T′-WS2 , lorsque le nombre de molécules d'hydrogène est inférieur à 16, chacune des molécules d'hydrogène est placée dans la position la plus stable (site 1v). Considérant l'influence de l'interaction potentielle entre plusieurs H2 molécules, nous avons discuté plus en détail de l'arrangement de H2 quand 2 ou 3 H2 molécules adsorbées 1T′-WS2 . Pour deux molécules d'hydrogène, nous avons considéré trois situations :des sites voisins (2H2 -1), sur des sites séparés du même côté (2H2 -2), et sur les sites les plus proches des différentes faces (2H2 -3). Pour trois molécules d'hydrogène, il y avait cinq cas :trois sites voisins du même côté (3H2 -1); deux voisins et un séparés, tous du même côté (3H2 -2) ; trois séparés du même côté (3H2 -3); deux voisins du même côté et un de l'autre côté (3H2 -4); et deux séparés du même côté et un de l'autre (3H2 -5). L'adsorption calculée pour chaque cas a été comparée (tableau S4). Les résultats montrent que la mise en place des molécules d'hydrogène sur les sites voisins de 1T′-WS2 rendrait l'énergie d'adsorption totale plus grande que les cas séparés. Cela signifie qu'un changement d'énergie d'adsorption irrégulier sera apporté si H2 les molécules ont été placées au hasard même sur le même site d'adsorption. Cependant, il n'y avait pas d'influence évidente lorsque les molécules d'hydrogène étaient placées sur les sites les plus proches des différents côtés de 1T′-WS2 . Sur la base de ces résultats, les molécules d'hydrogène sont fixées selon les principes suivants :lorsque H2 les molécules sont inférieures à 8, les molécules d'hydrogène sont placées sur des sites d'adsorption non adjacents de chaque côté de 1T′-WS2; lorsque le nombre est de 8 à 16, les sites voisins ne pouvaient être évités. Les sites d'adsorption adjacents sont toujours évités autant que possible. Lorsque les molécules d'hydrogène sont comprises entre 17 et 32, 16 d'entre elles sont placées à la position la plus stable (site 1v), et les autres sont placées verticalement au-dessus des atomes W (site 3v). Lorsque les molécules d'hydrogène sont supérieures à 32, la distance entre ces molécules d'hydrogène sera prioritaire pour éviter de former les groupes moléculaires d'hydrogène, ce qui est illustré à la figure S6. Et puis, le placement horizontal ou vertical dépendra des résultats d'énergie d'adsorption de l'hydrogène unique. Par conséquent, lorsque le H2 est entre 33 et 48, les 16 premières molécules sont dans le site 1v, les 16 secondes molécules sont dans le site 3v, et les autres sont dans le site 4h. Lorsque le nombre est supérieur à 48, les 16 premières molécules sont dans le site 1v, les 16 deuxièmes molécules sont dans le site 3v, les 16 troisièmes molécules sont dans le site 4h et les autres sont dans le site 2h. Nous essayons d'organiser les molécules d'hydrogène uniformément des deux côtés de cette structure et de nous assurer que la distance entre chaque molécule d'hydrogène est suffisante. Dans la condition de la phase 2H, similaire aux cas de 1T′-WS2 , lorsque les molécules d'hydrogène sont inférieures à 32, chacune est placée à la position la plus stable discutée ci-dessus (site 3). Pour éviter les effets d'incohérence causés par l'interaction entre les molécules d'hydrogène, les molécules d'hydrogène ont été placées sur des sites non adjacents lorsque la quantité est inférieure à 16. Mais nous devons essayer d'éviter les sites voisins lorsque la quantité est comprise entre 17 et 32. Lorsque le nombre est entre 33 et 64, le reste est placé au centre de l'hexagone (site 4). On essaie aussi de répartir toutes les molécules en suivant le principe évoqué plus haut. D'autre part, nous considérons également la stabilité du système d'adsorption avec une forte concentration en H2 molécules. Lorsqu'une molécule de gaz a plus de 16 ans, la stabilité de l'ensemble du système a également été explorée par des simulations de dynamique moléculaire, qui sont présentées à la figure S7. Après 500 étapes de simulation de la dynamique des molécules, il n'y a pas d'apparition de flambage géométrique et l'énergie totale reste également presque constante, de sorte que l'ensemble du système a une grande stabilité.

L'énergie d'adsorption aux molécules d'hydrogène a été calculée après avoir donné une optimisation de la géométrie. Comme le montre la figure 3, quelle que soit la phase de WS2 , l'énergie totale d'adsorption augmente presque linéairement lorsque le nombre de molécules d'hydrogène augmente. Cela signifie que lorsque le nombre de molécules d'hydrogène augmente, la force d'interaction entre le matériau et les molécules adsorbées ne change pas beaucoup. La zone verte de la figure 3a présente la zone d'énergie d'adsorption d'hydrogène modérée. On peut trouver que 2H-WS2 sort de cette zone plus tôt que la phase 1T′. Cela signifie que lorsque la quantité de H2 adsorbée les molécules deviennent redondantes, plus de molécules d'hydrogène seront difficiles à libérer de 2H-WS2 que de 1T′-WS2 , qui vise une plus petite capacité d'hydrogène. Ensuite, comme le montre la figure 3, le nombre de molécules d'hydrogène pour les énergies d'adsorption moyennes des molécules d'hydrogène adsorbées comprises entre − 0,2 et − 0,6 eV est inférieur à 48 ou 55 dans la situation de la phase 2H ou 1T′ , respectivement. Cela signifie la quantité d'adsorption théorique raisonnable pour l'hydrogène sur 2H-WS2 peut aller jusqu'à 2,4 % en poids, tandis que sur la phase 1T′, il peut aller jusqu'à 2,7 % en poids. Cela révèle que le changement de phase pourrait améliorer les performances de stockage d'hydrogène de WS2 effectivement. L'énergie d'adsorption moyenne des deux types de WS2 diminue puis augmente lorsqu'il n'est plus que 8. Il est facile de comprendre que lorsque le matériau adsorbe plus de molécules de gaz, la force d'interaction moyenne entre les molécules de gaz et le matériau deviendra plus faible. Cependant, lorsque le nombre de molécules d'hydrogène est supérieur à 8, la raison de l'augmentation de l'énergie d'adsorption moyenne est encore inconnue.

Graphiques de a énergie totale d'adsorption et b énergie d'adsorption moyenne en fonction du nombre de molécules d'hydrogène absorbées sur les 1T'- et 2H-WS2

Refaire l'étude PDOS, comme le montre la figure 4. On peut constater qu'à mesure que le nombre de molécules d'hydrogène augmente, la PDOS totale des molécules d'hydrogène adsorbées se disperse dans les deux phases de WS2 (surtout lorsque le nombre de molécules d'hydrogène est supérieur à 16). Et la portée PDOS des molécules d'hydrogène individuelles adsorbées dans ces systèmes devient également plus étendue. Mais le PDOS pour les atomes W et S reste inchangé, ce qui représente la stabilité de ces deux matériaux lorsque les molécules d'hydrogène ont été adsorbées. Les résultats montrent également que lorsque le nombre de molécules d'hydrogène augmente, la zone de chevauchement PDOS entre les molécules d'hydrogène et les deux WS2 molécules augmente.

Résultats PDOS de plusieurs H2 systèmes d'adsorption pour a tous et b molécules d'hydrogène simples sur 2H-WS2 et 1T'-WS2

L'interaction entre les molécules d'hydrogène et WS2 devient plus fort. Cela révèle la raison de l'augmentation de l'énergie moyenne d'adsorption lorsque le nombre de molécules d'hydrogène adsorbées augmente.

Pour explorer davantage l'interaction entre les molécules d'hydrogène et les matériaux, l'étude de la différence de densité électronique (EDD) a également été réalisée. Comme le montre la figure 5 (planforms de la figure S5), l'EDD résulte lorsque 4, 16, 32 et 64 molécules d'hydrogène sont adsorbées sur 2H ou 1T′-WS2 ont été présentés. Les zones oranges représentent des zones de valeurs positives, indiquant une tendance à obtenir des électrons. Alors que les zones bleues signifient des zones négatives, représentant un épuisement des électrons. Pour 2H et 1T′-WS2 , les zones oranges étaient plus susceptibles d'apparaître près des atomes S, tandis que les zones bleues étaient proches des atomes H. La tendance devient plus nette lorsque 32 ou 64 atomes d'hydrogène ont été adsorbés, comme le montrent les figures 5c, d, g et h. Il a également pu être observé qu'il y avait des zones orange et bleue parmi les molécules d'hydrogène lorsque plus de molécules d'hydrogène étaient adsorbées, indiquant une interaction entre le H2 adsorbé molécules existe. Cela s'ajoute à la force d'adsorption pour chaque molécule d'hydrogène sur le matériau, augmentant l'énergie d'adsorption moyenne. En outre, il y a une autre chose qui ne peut être ignorée que des zones bleues évidentes peuvent être vues lorsque davantage de molécules d'hydrogène sont adsorbées sur 1T′-WS2 (Fig. 5 g, h). Alors que dans les cas 2H, un tel phénomène n'est pas évident. Cela montre que les atomes W sont également passés par un processus de redistribution des électrons. Et les atomes W dans 1T′-WS2 avait tendance à offrir plus d'électrons pour partager l'approvisionnement en électrons principalement fourni par les molécules d'hydrogène que celui de 2H-WS2 cas. Sur cette base, la force agissant sur chaque molécule d'hydrogène a été affaiblie dans une certaine mesure. Cela pourrait être la raison pour laquelle le 1T′-WS2 pourrait accueillir plus de molécules d'hydrogène que le 2H-WS2 sous la garantie d'une force d'adsorption moyenne modérée.

Densité de différence électronique de a 4H2 sur 2H-WS2 , b 16H2 sur 2H-WS2 , c 32H2 sur 2H-WS2 , d 64H2 sur 2H-WS2 , e 4H2 sur 1T′-WS2 , f 16H2 sur 1T′-WS2 , g 32H2 sur 1T′-WS2 , et h 64H2 sur 1T′-WS2 . La valeur de l'isosurface est prise comme 0,002 e/Å

Conclusion

Dans cet article, les modèles d'adsorption d'hydrogène de la monocouche 2H, 1T et 1T′ WS2 ont été construits. Leur capacité d'adsorption à l'hydrogène est explorée par approximation de la densité locale (LDA). Ensuite, en comparant l'énergie d'adsorption lorsque plusieurs molécules d'hydrogène ont été adsorbées, il a été constaté que 1T′-WS2 pourrait contenir plus de molécules d'hydrogène que 2H-WS2 tandis que l'énergie d'adsorption moyenne est dans la plage modérée (- 0,2 à - 0,6 eV). Il peut atteindre le rapport d'adsorption d'hydrogène raisonnable jusqu'à 2,7 % en poids, plus que celui de 2H-WS2 , qui est de 2,4 % en poids, indiquant que l'influence de la phase est apparente pour le stockage de l'hydrogène, et la phase 1T′ WS2 possède une plus grande capacité d'hydrogène que son homologue 2H. Compte tenu de tous les résultats calculés dans cette étude, 1T′ phase WS2 est un matériau approprié pour les applications d'adsorption d'hydrogène. Il pourrait fournir une référence théorique pour les études sur les matériaux de stockage d'hydrogène hautement intégrés.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données sont entièrement disponibles sans restriction.


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