催化学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (6): 1520-1526.DOI: 10.1016/S1872-2067(21)64007-X

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1T′-MoTe2单层: 一种有前景的电催化合成双氧水的催化剂

孙晓旭, 朱晓蓉, 王彧#(), 李亚飞*()   

  1. 南京师范大学化学与材料科学学院, 江苏省生物医药功能材料协同创新中心, 江苏省新型动力电池重点实验室, 江苏南京210023
  • 收稿日期:2021-08-30 接受日期:2021-08-30 出版日期:2022-06-18 发布日期:2022-04-14
  • 通讯作者: 王彧,李亚飞
  • 基金资助:
    国家重点研发计划(2019YFA0308000);国家自然科学基金(21873050);江苏高校优势学科建设工程项目

1T′-MoTe2 monolayer: A promising two-dimensional catalyst for the electrochemical production of hydrogen peroxide

Xiaoxu Sun, Xiaorong Zhu, Yu Wang#(), Yafei Li*()   

  1. Jiangsu Collaborative Innovation Centre of Biomedical Functional Materials, Jiangsu Key Laboratory of New Power Batteries, School of Chemistry and Materials Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, Jiangsu, China
  • Received:2021-08-30 Accepted:2021-08-30 Online:2022-06-18 Published:2022-04-14
  • Contact: Yu Wang, Yafei Li
  • Supported by:
    National Key R&D Program of China(2019YFA0308000);ational Natural Science Foundation of China(21873050);Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions

摘要:

在酸性介质中, 氧气(O2)的电化学两电子氧还原反应(2e-ORR)是一种新兴的合成双氧水(H2O2)的绿色方法. 然而, 目前该方法普遍依赖贵金属电催化剂, 严重影响了其在工业上的大规模应用. 与传统材料相比, 二维材料具有超高比表面积和表面原子比率, 这非常有利于其在催化领域的应用. 实验和理论研究结果表明, 以2H-MoS2为代表的过渡金属二硫属化合物(TMDs)具有较强的电化学析氢性能. 最近, 有研究团队发现2H-MoTe2在酸性介质中对O2的电化学还原制H2O2具有较高的催化活性(Natl. Sci. Rev., 2020, 7, 1360‒1366), 这也为2e-ORR催化剂的开发带来了新的机遇. 然而与其他TMDs材料类似, 2H-MoTe2只有边缘原子具有催化活性, 暴露最多的表面原子是催化惰性的, 导致其催化效率受限.
除常规2H相外, 二维MoTe2还有稳定的1T′相. 由于1T′-MoTe2单层是半金属特性的, 因此它的电催化性能要优于半导体性质的2H-MoTe2. 本文通过理论计算发现, 1T′-MoTe2的剥离能为0.45 J/m2, 与2H-MoS2的解离能相近, 表明通过机械剥离或者液相剥离来制备1T′-MoTe2单层结构是可行的. 进一步计算了1T′-MoTe2单层的声子谱, 并对其进行了第一性原理分子动力学(FPMD)模拟. 结果表明, 1T′-MoTe2单层的声子谱中没有虚频, 并且其在整个FPMD模拟过程中都能保持良好的晶体结构, 表明1T′-MoTe2单层具有良好的动力学和热力学稳定性.
中间体OOH*的吸附自由能(ΔGOOH*)是2e-ORR催化剂的活性描述符, 本文发现1T′-MoTe2单层的ΔGOOH*为4.24 eV, 非常接近其催化活性理论最佳值(4.22 eV), 优于PtHg4催化剂(4.28 eV). 此外, 采用微观动力学模拟的方法, 对1T′-MoTe2单层的2e-ORR催化性能进行了定性分析; 通过求解反应物种的速率方程, 得到了其2e-ORR极化曲线. 根据模拟结果, 1T′-MoTe2单层的起始电压约为0.62 V, 相当于80 mV的过电势. 这个结果略优于最先进的PtHg4催化剂. 进一步通过动力学分析研究了1T′-MoTe2单层催化剂对2e-ORR的选择性, 发现其生成H2O2步骤的动力学势垒远低于4e路径中生成O*和H2O的动力学势垒. 从动力学角度看, 2e路径比4e路径更有利, 因此1T′-MoTe2单层对2e-ORR具有高的选择性. 本研究为高效2e-ORR催化剂的设计提供了新思路.

关键词: 1T′-MoTe2, 二维材料, 电催化合成双氧水, DFT计算, 微动力学模拟

Abstract:

The direct synthesis of hydrogen peroxide (H2O2) via a two-electron oxygen reduction reaction (2e-ORR) in acidic media has emerged as a green process for the production of this valuable chemical. However, such an approach employs expensive noble-metal-based electrocatalysts, which severely undermines its feasibility when implemented on an industrial scale. Herein, based on density functional theory computations and microkinetic modeling, we demonstrate that a novel two-dimensional (2D) material, namely a 1T′-MoTe2 monolayer, can serve as an efficient non-precious electrocatalyst to facilitate the 2e-ORR. The 1T′-MoTe2 monolayer is a stable 2D crystal that can be easily produced through exfoliation techniques. The surface-exposed Te sites of the 1T′-MoTe2 monolayer exhibit a favorable OOH* binding energy of 4.24 eV, resulting in a rather high basal plane activity toward the 2e-ORR. Importantly, kinetic computations indicate that the 1T'-MoTe2 monolayer preferentially promotes the formation of H2O2 over the competing four-electron ORR step. These desirable characteristics render 1T′-MoTe2 a promising candidate for catalyzing the electrochemical reduction of O2 to H2O2.

Key words: 1T′-MoTe2, Two-dimensional catalyst, Electrochemical H2O2 production, Density functional theory computations, Microkinetic modeling