Défauts et dopants conçus dans le pentagraphène : Un électrocatalyseur 2D à faible coût pour la réaction d'évolution de l'hydrogène

Résumé

L'électrolyse de l'eau est une méthode durable et propre pour produire du carburant hydrogène via la réaction d'évolution de l'hydrogène (HER). L'utilisation d'électrocatalyseurs stables, efficaces et à faible coût pour l'HER pour substituer les métaux nobles coûteux est hautement souhaitée. Dans cet article, en utilisant le calcul à partir des premiers principes, nous avons conçu un pentagraphène (PG) avec défaut et dopé N-, S-, P comme électrocatalyseur bidimensionnel (2D) pour l'HER, et sa stabilité, ses propriétés électroniques et sa performance catalytique ont été étudiées. L'énergie libre de Gibbs (ΔG_H), qui est le meilleur descripteur pour l'HER, est calculée et optimisée, les résultats de calcul montrent que le ΔG_H peut être de 0 eV avec des lacunes C2 et un dopage P aux sites actifs C1, ce qui devrait être la performance optimale pour un catalyseur HER. De plus, nous révélons que plus le transfert de charge du PG vers H est grand, plus le ΔG_H est proche de zéro selon le calcul des différences de densité de charge électronique et l'analyse des charges de Bader. Ultérieurement, nous avons démontré que la performance HER préfère le mécanisme Volmer-Heyrovsky dans cette étude.

Contexte

En raison du changement climatique et de la pollution environnementale causée par l'utilisation des combustibles fossiles, l'exploitation et l'utilisation d'énergies propres et renouvelables sont la voie principale de nos jours [1-4]. En tant que source d'énergie propre, renouvelable et respectueuse de l'environnement, l'hydrogène (H₂) a attiré une attention considérable pour répondre aux besoins énergétiques futurs de l'humanité [5, 6]. L'électrolyse de l'eau est une méthode durable et propre pour produire du H₂, et les électrocatalyseurs peuvent améliorer l'efficacité de la décomposition de l'eau de manière observable [7, 8]. Pour la réaction d'évolution de l'hydrogène (HER), les nanomatériaux à base de platine sont considérés comme les meilleurs électrocatalyseurs en raison d'une faible pente de Tafel, d'un faible surtension, d'une énergie libre de Gibbs légèrement négative (ΔG_H) et d'une densité de courant d'échange élevée [9, 10], mais leur rareté et leur coût élevé entravent leurs applications à l'échelle industrielle [11]. Par conséquent, le développement d'électrocatalyseurs efficaces, abondants dans la croûte terrestre et à faible coût est essentiel pour l'HER [12-14].

En fait, une large gamme d'électrocatalyseurs abondants dans la croûte terrestre ont été étudiés et conçus pour l'HER [15-17]. Parmi ces matériaux, les nanomatériaux bidimensionnels (2D) offrent de nouvelles opportunités pour l'HER en raison de leurs propriétés structurales et électroniques convaincantes. À ce jour, les dichalcogénures de métaux de transition (TMDs) et les matériaux à base de graphène sont les groupes les plus importants et les plus intensivement étudiés d'électrocatalyseurs 2D pour l'HER [18-23]. Les catalyseurs HER à base de TMDs ont un faible surtension et une faible pente de Tafel, des propriétés électroniques inhabituelles et une haute stabilité à l'air, présentent une haute performance HER, et différentes méthodes ont été prises pour améliorer leur performance catalytique [24, 25]. Les catalyseurs HER à base de graphène ont attiré une attention considérable et une étude persistante en raison de leurs mérites structurels distinctifs, tels que la haute conductivité électrique, la grande surface spécifique et la bonne stabilité chimique [26, 27]. De nombreuses méthodes ont été prises pour améliorer l'activité catalytique, telles que le dopage par hétéroatomes et l'ingénierie de défauts [28, 29]. Pendant ce temps, la recherche intensive sur d'autres nouveaux allotropes de carbone 2D a aussi été développée, tels que le graphdiynes [30] et le pentagraphène (PG) [31]. En tant qu'allotrope de carbone 2D, le PG est composé uniquement de pentagones de carbone et hérite de nombreuses propriétés exceptionnelles des matériaux 2D, telles que la bande interdite électronique finie, les sites actifs abondants et la grande surface spécifique, donc il est anticipé comme un matériau polyvalent pour de nombreuses applications potentielles comme d'autres matériaux 2D à base de graphène [32-35]. Puisqu'il n'y a que des applications dans l'adsorption de gaz [36-38], le stockage d'H₂ [39, 40], les matériaux d'anode à présent [41, 42], aucun rapport n'a jamais été trouvé sur l'application dans l'HER. Par conséquent, la recherche sur l'HER par le PG est d'une grande importance et ne peut pas seulement combler un tel vide mais aussi élargir le champ des catalyseurs HER à base de graphène. Cependant, le PG pur est trouvé inerte pour l'HER avec un ΔG_H relativement grand, ce qui signifie que l'adsorption d'hydrogène est difficile et inhibe l'HER. Cela est similaire aux problèmes rencontrés par le graphène pur (ΔG_H = 1,85 eV [43]). Le dopage par hétéroatomes dans les matériaux à base de graphène pourrait ajuster leurs propriétés électroniques et catalytiques, ce qui les rend prometteurs pour les applications pratiques [3]. Par conséquent, nous avons réussi à adapter l'activité catalytique du PG par dopage par hétéroatomes [44-46] et ingénierie de défauts [47, 48].

Dans cet article, en utilisant le calcul à partir des premiers principes, nous avons conçu et démontré un PG avec défaut et dopé N-, S-, P et étudié leur stabilité et propriétés électroniques et évalué leur performance comme électrocatalyseurs HER. Nos résultats révèlent que le PG avec défaut et dopé peut améliorer évidemment l'activité catalytique vers l'HER, comparé au PG pur. Il est aussi montré que le ΔG_H peut être de 0 eV avec des lacunes C2 et un dopage P aux sites actifs C1, ce qui devrait être la performance optimale pour un catalyseur HER, donc le PG dopé P a le ΔG_H optimal et la barrière d'énergie d'activation pour l'étape déterminante de vitesse parmi les trois homologues, et il présente une performance plus favorable. Nous montrons davantage que l'activité catalytique provient des atomes de dopage incorporés, qui peuvent fournir un chemin efficace pour le transport de charge pendant l'électrolyse, résultant en la réduction du ΔG_H. Nous démontrons aussi que le mécanisme Volmer-Heyrovsky est plus préféré pour l'HER sur le PG avec défaut et dopé. Nous avons comparé nos résultats avec ceux d'autres chercheurs sur le graphène, et on peut trouver que l'ingénierie de défauts et de dopage sont plus efficaces pour le PG dans la catalyse de l'HER. Ainsi, notre effort sur le PG avec défaut et dopé en fait un électrocatalyseur très prometteur pour l'HER, et nos découvertes fournissent une compréhension profonde dans la conception d'électrocatalyseurs efficaces et durables. Cette méthode peut être aussi appliquée à d'autres matériaux à base de graphène.

Méthodes de calcul

Nos calculs à partir des premiers principes ont été effectués en utilisant le Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) [49]. Les potentiels d'onde augmentée projetée (PAW) ont été utilisés pour analyser les interactions entre les électrons de cœur et les électrons de valence [50-52]. Les interactions d'échange-corrélation des électrons ont été décrites en utilisant la fonctionnelle Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) dans l'approximation du gradient généralisé (GGA) [53]. La fonctionnelle d'échange-corrélation DFT-D3 a été introduite dans l'optimisation structurelle pour prendre en compte l'interaction de van der Waals. L'espace vide le long de la direction z a été fixé à 20 Å afin d'éliminer les interactions entre le PG et ses images périodiques.

La coupure d'énergie d'onde plane a été fixée à 500 eV. Le critère de convergence a été fixé à 10⁻⁵ eV pour une énergie totale. Toutes les positions atomiques et structures de réseau ont été entièrement relaxées avec le seuil d'une force maximale de 0,02 eV/Å. Afin d'assurer la précision et l'efficacité du calcul, un maillage de points k centré sur Gamma avec une méthode Monkhorst-Pack 5 × 5 × 1 a été employé pour toutes les structures considérées après test de convergence [54]. La quantité de transfert de charge entre les atomes C et H a été calculée en utilisant le code Bader [55]. Nous avons aussi calculé les barrières d'énergie d'adsorption de H* en utilisant la méthode de la bande élastique à image grimpante (CI-NEB) [56, 57]. Le CI-NEB est une méthode efficace pour déterminer le chemin d'énergie minimum et les points de selle entre une position initiale et finale données [58-60], et dans nos calculs CI-NEB, les structures initiale et finale étaient entièrement optimisées.

L'énergie d'adsorption (ΔE_H) est définie comme :

ΔE_H = E(*H) - E(*) - ½ E(H₂)

où E(*H) et E(*) sont l'énergie totale des structures avec et sans adsorption d'hydrogène, respectivement, et E(H₂) est l'énergie totale d'une molécule H₂.

L'énergie libre de Gibbs (ΔG_H) est définie comme :

ΔG_H = ΔE_H + ΔE_ZPE - TΔS_H

où ΔE_H est l'énergie d'adsorption, ΔE_ZPE est la différence d'énergie de point zéro, T est la température (298,15 K) et ΔS_H est la différence d'entropie de H adsorbé et H en phase gazeuse. Nous avons approximé l'entropie d'adsorption d'hydrogène comme ΔS_H ≈ ½ (S°_H₂), où S°_H₂ est l'entropie de H₂ en phase gazeuse aux conditions standard, TΔS_H a été fixée à -0,202 eV après calcul dans cette étude.

Résultats et discussion

Structure et activité catalytique du PG avec défaut et dopé

La structure optimisée du PG est montrée dans la Fig. 1. Pour la commodité de la discussion, nous regroupons ici les atomes C hybrides sp³ et sp² comme C1 et C2, respectivement. La distance entre C1 et C2 est de 1,55 Å, et la longueur de liaison C2-C2 est de 1,34 Å, ce qui est cohérent avec le résultat expérimental [31].

Au début, nous avons d'abord étudié les sites C1 et C2 dans le plan de base du PG pur pour l'HER, les valeurs calculées de ΔG_H sont 2,43 eV et 2,72 eV, respectivement. Donc nos calculs montrent que le PG pur est trouvé inerte pour l'HER avec un ΔG_H relativement grand de H, ce qui signifie que l'adsorption d'hydrogène est difficile et l'HER est inhibé. Par conséquent, nous avons réussi à utiliser certaines méthodes pour adapter l'activité catalytique du PG. Nous avons recherché les sites actifs possibles pour le dopage et nous avons aussi étudié les sites actifs pour C1 et C2 avec dopage N, S, P, respectivement. Les résultats de calcul montrent qu'aucune amélioration évidente de l'HER ne peut être obtenue si seule l'ingénierie de dopage était introduite. Dans le cas de la structure dopée P, les valeurs calculées de ΔG_H des sites C1 et C2 sont 1,24 eV et 1,40 eV, respectivement. Ultérieurement, nous avons étudié le PG avec défaut avec des sites de lacunes C. Les résultats de calcul révèlent que la structure avec lacune C1 ne peut pas améliorer la performance HER mais la structure avec lacune C2 peut diminuer ΔG_H évidemment, donc nous utilisons la structure avec lacune C2 dans cette étude. Les structures optimisées avec sites de lacunes C2 V_C-UP et V_C-DOWN sont montrées dans la Fig. 2, les défauts de lacune sont construits en enlevant les atomes C2 du site C_2-UP ou C_2-DOWN dans une supercellule de 24 atomes. Les valeurs calculées de ΔG_H sont montrées dans le Tableau 1, où C1 et C2 sont les sites actifs pour l'adsorption d'hydrogène.

Bien que ce soit confirmé par nos calculs que les lacunes C2 sont efficaces pour améliorer l'activité HER, le PG avec structure de lacune C2 n'est pas encore optimal pour un catalyseur HER. Ainsi, nous avons étudié davantage le PG avec défaut et dopé pour l'HER. Nous avons utilisé le PG avec lacune C2 comme structure initiale, qui est montrée dans la Fig. 2 et puis avons étudié tous les différents sites actifs possibles avec dopage N, S, P, incluant C1, C_2-UP et C_2-DOWN sites. Comme résultat, nous avons trouvé que de meilleures performances HER pouvaient être atteintes avec une combinaison de lacune C2 et dopage par hétéroatome. Nous avons étudié toutes les structures possibles, et les résultats ont montré qu'il y a deux structures qui peuvent atteindre de meilleures performances HER, une structure est une combinaison de la lacune C_2-UP et dopage par hétéroatome au site C_2-DOWN, et l'autre est une combinaison de la lacune C_2-DOWN et dopage par hétéroatome au site C_2-UP. Donc nous nous sommes concentrés sur ces deux structures et avons trouvé qu'elles peuvent décaler les valeurs ΔG_H plus proches de zéro. Les structures optimisées sont montrées dans la Fig. 3, et les longueurs de liaison calculées sont résumées dans le Tableau 2.

Nous pouvons voir qu'il y a une légère différence entre les longueurs de liaison correspondantes du PG dopé N et celle du PG pur. En raison du grand rayon des atomes S et P, ces deux structures subissent beaucoup plus de distorsion, mais elles peuvent toutes les deux maintenir la structure du PG.

Pour étudier la stabilité du PG avec lacune C2 et dopage par hétéroatome, nous avons calculé l'énergie de formation, qui est définie comme :

E_f = (E_t - E_V + E_C - E_d - ½ μ_H)

où E_t est l'énergie totale du système avec défaut et dopé, et E_V est l'énergie du PG avec lacune C2, E_C est l'énergie moyenne par atome C du PG pur, E_d est l'énergie des atomes de dopage, μ_H est prise de l'énergie totale de la molécule H₂, respectivement. Un de nos résultats de calcul sur les énergies de formation des deux structures initiales avec défaut et dopé avec sites actifs C1 pour HER est montré dans la Fig. 4. Nous pouvons voir que les énergies de formation négatives indiquent un PG avec défaut et dopé S-, P- énergétiquement favorable et faisable. De même, les valeurs E_f des structures dopées N avec sites actifs pour HER sont toutes positives. Nous avons étudié tous les sites actifs possibles et obtenu des résultats similaires comme montré dans la Fig. 4, donc nous étudierons seulement le PG dopé S- et P-. Selon la définition, une valeur E_f plus négative indique une stabilité plus haute de la structure, donc le PG dopé P a une excellente stabilité, ainsi qu'une bonne performance HER.

Origine de l'activité catalytique HER

DOS et structures de bandes

Pour atteindre une compréhension approfondie de la nature de l'ingénierie de lacune C2 et de dopage dans l'activité HER, nous avons étudié le DOS total et projeté, la structure de bande électronique du PG avec défaut et dopé S-, P-. La Figure 5 est un de nos résultats de calcul sur les structures de bandes électroniques, le DOS total et projeté du PG pur, V_C-UP, V_C-UP dopé S et V_C-UP dopé P.

De la figure, nous pouvons voir que lorsque la lacune C2 est introduite, quelques nouveaux états de défaut mis en évidence par des courbes rouges apparaissent dans la bande interdite près du niveau de Fermi. Évidemment, ces nouveaux états proviennent de la lacune C2. De plus, lorsque le dopage par hétéroatomes S, P est introduit, la bande interdite se rétrécit (de 2,22 eV [31] à 0,37 eV) et le nombre de nouveaux états de défaut près du niveau de Fermi augmente, ce qui peut possiblement améliorer la force d'adsorption de H*.

Cependant, nous avons trouvé que le DOS de V_C-UP près du niveau de Fermi est beaucoup plus grand que celui du PG pur. En plus, la densité électronique près du niveau de Fermi du PG avec lacune C2 et dopé S-, P- est davantage augmentée par rapport au PG pur. Nous avons aussi trouvé que les orbitales S 3p et P 3p subissent une hybridation significative avec les états C1 et C2, menant à de fortes interactions entre les hétéroatomes et C, et la formation de liaisons S-C et P-C. Ces résultats démontrent que la combinaison de la lacune C2 et du dopage par hétéroatomes S, P peut être une meilleure ingénierie pour améliorer l'activité HER.

Différence de densité électronique et transfert de charge

De plus, pour étudier l'interaction de liaison entre l'atome H et le PG, nous avons calculé les différences de densité de charge électronique pour le PG avec défaut et dopé S-, P- avec différents sites actifs pour l'évolution de l'hydrogène. Un de nos résultats de calcul sur la différence de densité de charge électronique et l'analyse des charges de Bader pour une lacune C_2-DOWN et PG dopé P avec H* adsorbé aux différents sites actifs pour l'adsorption d'hydrogène est montré dans la Fig. 6. Les couleurs jaune et bleue représentent l'accumulation et la réduction de charge, respectivement. Il est montré que les électrons s'accumulent autour des atomes H et diminuent autour des atomes C qui sont liés aux atomes H, indiquant un transfert de charge du PG vers H*. Le transfert de charge est aussi confirmé par l'analyse des charges de Bader. Les résultats de calcul montrent qu'il y a 0,18, 0,04, 0,02 et 0,01 électrons transférant vers H* aux sites C1, C_2-DOWN, C_2-DOWN(n) et C_2-UP, respectivement. Nous montrons davantage que plus le transfert de charge du PG vers H* est grand, plus les valeurs ΔG_H sont proches de zéro, ce qui signifie la performance optimale pour un catalyseur HER, comme montré dans la Fig. 7. On peut voir de la Fig. 6 que les électrons sont transférés du PG vers H*, résultant en une augmentation de la densité de charge des liaisons, ce qui signifie que la stabilisation de l'espèce H* dans la performance HER peut provenir de la densité de charge accrue des atomes C dopés P, indiquant que les atomes P sont intrinsèquement avantageux dans l'interaction avec les atomes H que les atomes C. Nous avons aussi remarqué que H* est absorbé sur C au lieu de P, indiquant que la densité de charge accrue peut contribuer à l'électrocatalyseur sur l'atome H. Donc nos calculs montrent que le dopage P dans le PG peut mener à une adsorption accrue de H* sur les atomes C. Comme mentionné ci-dessus, les calculs DFT ont aussi suggéré que le dopage P dans le PG pourrait améliorer beaucoup plus efficacement l'activité HER que celle du dopage S.

Activité du PG avec défaut et dopé vers HER

Énergies libres de Gibbs de l'HER

Le ΔG_H est le descripteur vital de l'HER pour une variété d'électrocatalyseurs, la valeur optimale de ΔG_H pour un électrocatalyseur est zéro, donc l'adsorption et la désorption de H* peuvent se produire spontanément sans barrière d'énergie d'activation [61, 62]. Pour évaluer l'activité HER du PG et étudier l'ingénierie de défauts et de dopage, nous avons calculé le ΔG_H de l'HER. Un de nos résultats de calcul sur ΔG_H versus coordonnée de réaction de l'HER pour PG est montré dans la Fig. 8, où C1 et C2 à l'intérieur des parenthèses sont les sites actifs pour l'adsorption d'hydrogène.

Nos calculs montrent que le PG pur est trouvé inerte pour l'HER avec une énergie libre de Gibbs de H* relativement grande (ΔG_H = 2,72 eV (C2), ΔG_H = 2,43 eV (C1)). Lorsque les lacunes sont introduites, il y a deux sites de lacunes C différents, site de lacune C1 et site de lacune C2. Nous avons calculé le ΔG_H sur les deux sites et trouvé que la lacune C2 peut diminuer notablement ΔG_H (ΔG_H = 0,24 eV), ce qui indique que H* s'adsorbe préférentiellement sur les structures avec lacune C2. Les structures optimisées avec sites de lacunes C2 (V_C-UP et V_C-DOWN) sont montrées dans la Fig. 2. Bien que les lacunes C2 montrent une amélioration significative sur le PG pur, elles ne sont toujours pas optimales pour l'adsorption d'hydrogène, donc l'ingénierie de dopage est explorée pour améliorer la performance HER. Nous montrons nos effets de lacunes C2 et dopage par hétéroatomes S, P sur l'activité HER et optimisons la performance HER. Les valeurs ΔG_H sont résumées dans le Tableau 3, et les sites actifs pour l'évolution d'hydrogène sont montrés dans la Fig. 3.

Les résultats de calcul révèlent que ΔG_H diminue significativement, démontrant que l'ingénierie de défauts et de dopage sont très efficaces pour réduire ΔG_H. Remarquablement, nous avons trouvé que les valeurs ΔG_H des sites actifs C1, C_2-UP et C_2-UP(n) pour V_C-UP, sites actifs C1, C_2-DOWN et C_2-DOWN(n) pour V_C-DOWN sont très proches de zéro, surtout pour les deux sites C1, signifiant que les conditions optimales peuvent être atteintes, ce qui est significativement supérieur au PG pur. Et nous avons comparé nos résultats avec les travaux précédents d'autres chercheurs sur le graphène, par exemple, graphène avec lacune C (ΔG_H = -2,108 eV) [28], graphène dopé N (ΔG_H = -0,693 eV) [28], graphène avec lacune C et dopé N (ΔG_H = -0,595 eV) [28], graphène dopé S (ΔG_H = -0,30 eV) [29] et graphène co-dopé N/S (ΔG_H = -0,12 eV) [29]. On peut trouver que l'ingénierie de défauts et de dopage sont plus efficaces pour le PG. Ainsi, nos résultats suggèrent clairement que le ΔG_H du PG peut être manipulé en appliquant l'ingénierie de défauts et de dopage pour atteindre l'activité HER optimale.

Les voies de réaction du PG avec défaut et dopé

L'HER se déroule dans un processus électrochimique en plusieurs étapes, via l'une des deux voies qui sont connues comme les mécanismes Volmer-Tafel et Volmer-Heyrovsky. La première étape de l'HER est l'adsorption de H* sur la surface de l'électrocatalyseur (c.-à-d., réaction de Volmer), qui est décrite par H⁺ + e⁻ → H*. Ensuite, H* se combine avec H⁺ et un électron (e⁻) pour former une molécule H₂, connue comme l'étape de Heyrovsky, qui est décrite par H* + H⁺ + e⁻ → H₂. Alternativement, la molécule H₂ peut être formée via l'étape de Tafel, c.-à-d., la combinaison de deux H* sur la surface de l'électrocatalyseur, qui est décrite par 2H* → H₂ [63].

Pour étudier les effets de l'ingénierie de défauts et de dopage sur le PG et comprendre davantage le mécanisme de l'activité HER supérieure, les barrières d'énergie des réactions de Tafel et Heyrovsky avec lacunes C_2-UP et C_2-DOWN, PG dopé S-, P- pour le site C1 ont été calculées. L'état initial (EI), l'état final (EF) et l'état de transition (ET) sont affichés dans la Fig. 9 avec les barrières d'énergie correspondantes. Pour la réaction de Tafel, la recombinaison de 2H* montre des barrières d'énergie de 1,51 eV (dopé S), 1,32 eV (dopé P), respectivement. Alors que la libération d'une molécule H₂ dans la réaction de Heyrovsky impliquant un proton réagissant avec un H* adsorbé doit surmonter les barrières d'énergie de 1,01 eV (dopé S), 0,99 eV (dopé P), respectivement. Les résultats révèlent que les barrières d'énergie de la réaction de Tafel sont significativement plus hautes que celle de la réaction de Heyrovsky. Donc l'HER sur le PG avec défaut et dopé préfère le mécanisme Volmer-Heyrovsky.

Conclusions

Nous avons théoriquement conçu un PG avec lacune C et dopé N-, S-, P et étudié systématiquement leur stabilité et leur rôle unique d'électrocatalyseur vers l'HER. Nous trouvons que l'ingénierie de défauts et de dopage possède une performance HER supérieure sur le PG pur. Important, l'activité HER optimale peut être atteinte avec des lacunes C2 et dopage par hétéroatomes S, P, ce qui indique que les propriétés catalytiques du PG avec défaut et dopé peuvent être ajustées facilement et efficacement. Nos calculs révèlent que ΔG_H diminue significativement avec les lacunes C2 et le dopage par hétéroatomes S, P, et les conditions optimales peuvent être atteintes avec le dopage P aux sites actifs C1, pour laquelle l'ingénierie de défauts ou de dopage seule ne peut pas atteindre les conditions optimales. L'analyse de la structure électronique montre que lorsque la lacune C2 et le dopage par hétéroatomes S, P sont introduits, plusieurs nouveaux états de défaut se rapprochent du niveau de Fermi, menant à une bande interdite plus étroite et une amélioration de la force d'adsorption d'hydrogène. Nous trouvons aussi le transfert de charge du PG vers H* en calculant les différences de densité de charge électronique, le plus grand transfert de charge vers H*, les valeurs ΔG_H plus proches de zéro en utilisant l'analyse des charges de Bader, ce qui indique la performance optimale pour un catalyseur HER. Et nous démontrons davantage que l'HER sur le PG avec défaut et dopé préfère le mécanisme Volmer-Heyrovsky. Donc notre étude montre que le PG avec défaut et dopé conçu est hautement activé vers l'électrocatalyseur HER, l'activité HER optimale peut être atteinte, et des sites d'activité catalytique abondants sont fournis. Il est attendu que les stratégies développées dans cet article puissent être appliquées pour la conception d'électrocatalyseurs 2D à base de graphène pour des applications HER à faible coût et haute performance.

Disponibilité des données et matériaux

Les ensembles de données soutenant les conclusions de cet article sont inclus dans l'article, et des informations supplémentaires sur les données et matériaux pourraient être rendues disponibles à la partie intéressée sur demande motivée adressée à l'auteur correspondant.

Abréviations

HER :

Réaction d'évolution de l'hydrogène

PG :

Pentagraphène

2D :

Bidimensionnel

ΔG_H :

Énergie libre de Gibbs

TMDs :

Dichalcogénures de métaux de transition

VASP :

Vienna Ab initio Simulation Package

PAW :

Onde augmentée projetée

PBE :

Perdew-Burke-Ernzerhof

GGA :

Approximation du gradient généralisé

CI-NEB :

Bande élastique à image grimpante

EI :

État initial

EF :

État final

ET :

État de transition