一體化(光)電解水過渡金屬氧化物電極設(shè)計與機理研究

01引言

隨著全球能源需求的持續(xù)增長與能源供應(yīng)的不確定性增加，清潔、可持續(xù)的新能源研究越來越受到人們的關(guān)注。氫能具有能量密度大、安全穩(wěn)定、便于存儲和運輸?shù)葍?yōu)點，同時具備碳零排放特性，燃燒值高，通過燃料電池容易實現(xiàn)氫-電轉(zhuǎn)換，綠色制氫還可消納太陽能和風(fēng)能發(fā)電間歇式、狀態(tài)高低起伏不定的不足。將太陽能通過半導(dǎo)體捕光材料轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃庵兴N含的化學(xué)能，可以有效降低成本、減少CO2排放和擴大“綠氫”制氫規(guī)模。本研究受硫銦鋅(Applied Catalysis B:Environmental,2020,265,118616)啟發(fā)，其二維層狀結(jié)構(gòu)的邊緣是理想的催化析氫活性位點；同時，近年來有報道Ni/In等摻雜(Journal of Energy Chemistry,2021,58,408)可以作為催化助劑進一步提高產(chǎn)氫性能，本研究重點考慮ZIS化合物不同晶面對H的吸附性能，并通過費米能級附近態(tài)密度的計算，從機理上解釋Ni助劑的催化機理。

02成果簡介

本項研究工作，采用第一性原理方法，構(gòu)建并優(yōu)化了硫銦鋅化合物(ZIS)不同晶面slab模型，包括傳統(tǒng)二維(001)晶面和邊緣位暴露的(110)晶面，同時根據(jù)實驗數(shù)據(jù)構(gòu)建并優(yōu)化了ZIS(110)負載Ni團簇模型(ZIS(110)-Ni)。對比了三種slab模型態(tài)密度(density of states)，以及氫原子在不同晶面和不同表面原子上的吸附能。計算結(jié)果表明，Ni團簇的引入可以顯著影響晶面電子分布，使H原子在復(fù)合催化劑Ni團簇表面吸附能最接近零，利于水分解制氫產(chǎn)物的脫附，提高產(chǎn)氫效率。

03圖文導(dǎo)讀

圖1(a)ZIS原胞結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，(b)(001)晶面slab模型，(c)(110)晶面slab模型，ZIS負載Ni團簇slab模型

圖2ZIS(001)晶面，ZIS(110)晶面與ZIS(110)晶面負載Ni團簇后態(tài)密度圖

圖3 ZIS(110)邊緣負載Ni團簇后差分電荷圖(黃色:電子聚集，青色:電子缺失)

圖4吸附氫原子在ZIS(110)-Ni與ZIS(001)兩個slab模型上三個不同吸附位點吸附能

04小結(jié)

本工作使用鴻之微集合在Device Studio軟件中的DS-PAW軟件，根據(jù)實驗測得的催化劑晶面，分別構(gòu)建了硫銦鋅(ZIS)傳統(tǒng)(001)二維晶面和本文重點關(guān)注的(110)晶面以及負載Ni團簇的ZIS(110)-Ni等催化表面模型。計算其表面態(tài)密度(DOS)，可見傳統(tǒng)(001)二維晶面顯示典型半導(dǎo)體性質(zhì)，費米能級處無電子填充，具有較寬帶隙；而(110)晶面以及負載Ni團簇后，費米能級處出現(xiàn)電子填充，分別由In的S軌道電子和Ni的d軌道電子所貢獻。相應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移可以從圖3的差分電荷密度圖中得到進一步直觀體現(xiàn)。最后，針對氫原子在不同電極催化劑潛在的活性位點(吸附位)的吸附強度進行了計算，可以看到Ni團簇的引入可以有效降低吸附能，促進氫原子的脫附，促進活性位的釋放，提高產(chǎn)氫性能與穩(wěn)定性。

審核編輯：劉清