石墨烯和类似基底上原子注入镍原子进行氢气进化反应的理论探索

摘要 为电催化氢进化反应（HER）寻找合理的催化剂是研究人员长期面临的挑战。有鉴于此，将过渡金属（TMs）的微小颗粒铺在基底上作为反应的活性位点（科学上称为单原子催化剂）被认为是设计高效催化剂的有效方法。在此，我们利用密度泛函理论计算全面研究了分布在石墨烯、AlC、AlN、h-BN、BeO 和 MgO 等各种二维（2D）基底上的镍原子（Ni@2D）对 HER 的催化活性。所有考虑的二维基底都有各种不等价的锚定位点，如顶部、空心、桥和镍原子的空缺位点。因此，总共有 34 个锚定位点，我们计算了所有位点上镍原子的结合能（E （_b （）））。由于存在大量的构型，我们首先对 Ni@2D 的稳定性进行了筛选，只考虑那些 E （_b\ ）值为 3.00 eV 的构型进行进一步的计算。在 34 个构型中，有 17 个构型属于这一范围。此外，我们还计算了H-吸附的差分吉布斯自由能（\(\Delta\)G\(_H\)），并生成了\(\Delta\)G\(_H\)和交换电流密度（\(i_0\)）之间的火山图，作为HER活性的主要指标。然后，我们根据 \(\Delta\)G\(_H\) \(\le\) 到 0.5 eV 的值（\(|\Delta\)G\(_H|\) \(\le\)）对这些配置进行了筛选，在 17 个系统中，有 10 个系统属于这一区域。最后，我们通过Volmer-Heyrovsky（VH）和Volmer-Tafel（VT）机制考察了其余10种构型的HER的完整反应曲线，通过VT和VH机制，Ni@AlN的HER最低活化能分别为0.12 eV和0.21 eV，Ni@h-BN的最低活化能分别为0.28 eV和0.36 eV。我们的研究结果表明，Ni@AlN和Ni@h-BN可以作为生态操作型HER催化剂的非贵金属候选材料。