scholarly journals Insights into Hydrogen Evolution Reaction on 2D Transition Metal Dichalcogenides

Author(s):  
Zhenbin Wang ◽  
Michael Tang ◽  
Ang Cao ◽  
Karen Chan ◽  
Jens Kehlet Nørskov

<p>Understanding the hydrogen evolution reaction (HER) behaviors over 2D transition metal dichalcogenides (2D-TMDs) is critical for the development of non-precious HER electrocatalysts with better activity. In this work, by combining density functional theory calculations with microkinetic modelling, we thoroughly investigated the HER mechanism on 2D-TMDs. We find there is an important dependence of simulated cell size on the calculated hydrogen adsorption energy and the activation barrier for MoS<sub>2</sub>. Distinct from previous “H migration” mechanisms proposed for the Heyrovsky reaction − the rate-determining step for MoS<sub>2</sub>, we propose the Mo site only serves as the stabilized transition state rather than H adsorption. In comparison to transition metal electrocatalysts, we find that the activation barrier of the Heyrovsky reaction on 2D-TMDs scales with the hydrogen adsorption energy exactly as for transition metals except that all activation energies are displaced upwards by <i>ca.</i> 0.4 eV. This higher Heyrovsky activation barrier is responsible for the substantially lower activity of 2D-TMDs. We further show that this higher activation barrier stems from the more positively charged adsorbed hydrogen on the chalcogenides interacting repulsively with the incoming proton. Based on these insights, we discuss potential strategies for the design of non-precious HER catalysts with activity comparable to Pt.</p>

2021 ◽  
Author(s):  
Zhenbin Wang ◽  
Michael Tang ◽  
Ang Cao ◽  
Karen Chan ◽  
Jens Kehlet Nørskov

<p>Understanding the hydrogen evolution reaction (HER) behaviors over 2D transition metal dichalcogenides (2D-TMDs) is critical for the development of non-precious HER electrocatalysts with better activity. In this work, by combining density functional theory calculations with microkinetic modelling, we thoroughly investigated the HER mechanism on 2D-TMDs. We find there is an important dependence of simulated cell size on the calculated hydrogen adsorption energy and the activation barrier for MoS<sub>2</sub>. Distinct from previous “H migration” mechanisms proposed for the Heyrovsky reaction − the rate-determining step for MoS<sub>2</sub>, we propose the Mo site only serves as the stabilized transition state rather than H adsorption. In comparison to transition metal electrocatalysts, we find that the activation barrier of the Heyrovsky reaction on 2D-TMDs scales with the hydrogen adsorption energy exactly as for transition metals except that all activation energies are displaced upwards by <i>ca.</i> 0.4 eV. This higher Heyrovsky activation barrier is responsible for the substantially lower activity of 2D-TMDs. We further show that this higher activation barrier stems from the more positively charged adsorbed hydrogen on the chalcogenides interacting repulsively with the incoming proton. Based on these insights, we discuss potential strategies for the design of non-precious HER catalysts with activity comparable to Pt.</p>


2015 ◽  
Author(s):  
Αριστέα Μανιαδάκη

Τα νανοδομημένα υλικά με βάση τον άνθρακα (Carbon-based Nanostructured Materials - CNMs)παρουσιάζουν θεμελιώδες ενδιαφέρον και είναι καλοί υποψήφιοι για πολυάριθμες εφαρμογές στην΄παραγωγή, αποθήκευση και χρήση του υδρογόνου σε εφαρμογές καθαρής ενέργειας. Εκτεταμένες έρευνες στους νανοσωλήνες άνθρακα, στα φουλερένια και στο γραφένιο έχουν βελτιώσει δραματικά τις γνώσεις μας σχετικά με τα υλικά αυτά. Ωστόσο, μια πληθώρα απο άλλα CNMs προσφέρουν ευκαιρίες για τεχνολογική πρόοδο ενώ ταυτόχρονα παρουσιάζουν επιστημονικές προκλήσεις.Υπάρχουν σημαντικές ενδείξεις οτι πολύπλοκες νανοδομές, νανοπορώδεις και άτακτες μορφές άνθρακα, με ή χωρίς άλλες χημικές υποκαταστάσεις, προσροφούν υδρογόνο πιο αποτελεσματικά. Δυσκολίες στον έλεγχο των συνθηκών σύνθεσης, στον χαρακτηρισμό, καθώς και η πολυπλοκότητα αυτών των υλικών, καθιστούν αναγκαία την λεπτομερή θεωρητική μελέτη τους.Μεταξύ αυτών των CNMs, η μεικτή φάση από άμορφο άνθρακα (a-C) με νανοκρυστάλλους διαμαντιού (n-D) είναι λιγότερη μελετημένη και χαρακτηρισμένη, με πολλές από τις ιδιότητές της να παραμένουν αδιερεύνητες. Πραγματοποιούμε ατομιστικές προσομοιώσεις με εμπειρικά δυναμικά προκειμένου να δημιουργήσουμε αρκετά δείγματα a-C - n-D με διαφορετικά μεγέθη n-D και διαφορετικές πυκνότητες aC, καθώς επίσης και δείγματα υπερ-νανοκρυσταλλικού διαμαντιού (UNCD) με διάφορα μεγέθη κόκκων.Αναλύουμε τη δομή, τη σταθερότητα και τις μηχανικες ιδότητες των νανο-σύνθετωναυτών υλικών και τα αποτελέσματά μας συγκρίνονται καλά με το πείραμα και προηγούμενες προσομοιώσεις. Επιπλέον, μελετάμε τις δυναμικές τους ιδιότητες και διαπιστώνουμε οτι κάποια έντονα χαρακτηριστικά των δονητικών τους φασμάτων μπορούν να παρατηρηθούν σε πειράματα. Τέλος, διερευνάται η επίδραση του υδρογόνου στις δομικές και μηχανικές ιδιότητες των υλικών αυτών.Διερευνούμε επίσης CNMs για προσρόφηση και εκρόφηση υδρογόνου. Πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι τα διχαλκογενίδια μεταβατικών μετάλλων (Transition Metal Dichalcogenides - TMDs) MX2 (M= Mo, W; X = S, Se, Te) είναι ανερχόμενοι υποψήφιοι για την αντικατάσταση του Pt ως καταλύτες στη διαδικασία διάσπασης του νερού. Εστιάζουμε στο μέρος αυτής της διαδικασίας που αφορά στην αντίδραση έκλυσης υδρογόνου (Hydrogen Evolution Reaction - HER) και στο πώς το υδρογόνο (Η) αλληλεπιδρά με τα TMDs. Συγκεκριμένα, εκτελούμε υπολογισμούς θεωρίας συναρτησιακού πυκνότητας (Density Functional Theory - DFT) για ελεύθερες νανοδομές MoS2 ή τοποθετημένες σε υπόστρωμα γραφενίου. Αυτές οι νανοδομές MoS2 καθώς και τα υβριδικά συστήματα MoS2/γραφενίου διερευνώνται για τη σταθερότητά τους. Οι υπολογισμοί μας σχετικά με τη προσρόφηση του H στα υβριδικά συστήματα MoS2/γραφενίου δείχνουν ότι η επίδραση του γραφενίου στη διαδικασία της προσρόφησης H σε νανοδομές MoS2 είναι αρκετά σημαντική.Η μηχανική παραμόρφωση (τάση) των υβριδικών συστημάτων MoS2/γραφενίου, η οποία είναι εγγενής λόγω της πλεγματικής αναντιστοιχίας, παίζει σημαντικό ρόλο στις ιδιότητές τους. Αυτό οδηγεί σε θεωρητική διερεύνηση των δομικών, ηλεκτρονικών και διηλεκτρικών ιδιοτήτων των μονοστρωματικών TMDs υπό διάφορα είδη παραμόρφωσης. Βρίσκουμε ότι τα ηλεκτρονικά ενεργειακά χάσματα μειώνονται ενώ η διηλεκτρική σταθερά αυξάνεται για μεγαλύτερα χαλκογενή. Τα άμεσα χάσματα των δομών ισορροπίας συχνά μετατρέπονται σε έμμεσα υπό την επίδραση κάποιων ειδών παραμόρφωσης. Αναλύονται επίσης οι επιδράσεις της παραμόρφωσης και η απώλεια συμμετρίας στην δομή των ενεργειακών ζωνών. Τα αποτελέσματα της DFT σχετικά με την επίδραση της παραμόρφωσης στις διηλεκτρικές ιδιότητες εξηγούνται θεωρητικά χρησιμοποιώντας μόνο δομικές παραμέτρους και τη διηλεκτρική σταθερά ισορροπίας.


2017 ◽  
Vol 19 (15) ◽  
pp. 10125-10132 ◽  
Author(s):  
Jinsong Wang ◽  
Jia Liu ◽  
Bao Zhang ◽  
Xiao Ji ◽  
Kui Xu ◽  
...  

Two-dimensional transition metal dichalcogenides (TMDs) have been widely considered as potential hydrogen evolution reaction (HER) catalysts because of their low cost and good electrochemical stability in acid conditions.


Nanoscale ◽  
2021 ◽  
Author(s):  
Albert Bruix ◽  
Jeppe Vang Lauritsen ◽  
Bjork Hammer

Nanomaterials based on MoS2 and related transition metal dichalcogenides are remarkably versatile; MoS2 nanoparticles are proven catalysts for processes such as hydrodesulphurization and the hydrogen evolution reaction, and transition metal...


FlatChem ◽  
2019 ◽  
Vol 18 ◽  
pp. 100140 ◽  
Author(s):  
Kunlei Zhu ◽  
Chenyu Li ◽  
Zhihong Jing ◽  
Xicheng Liu ◽  
Yuanchun He ◽  
...  

2020 ◽  
Vol 8 (37) ◽  
pp. 19522-19532
Author(s):  
Yiqing Chen ◽  
Pengfei Ou ◽  
Xiaohan Bie ◽  
Jun Song

The 2H/1T′ phase boundary activated hydrogen evolution reaction on two-dimensional transition metal dichalcogenides is well studied by comprehensive first-principles calculations.


Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document