Towards defect engineering in hexagonal MoS2 nanosheets for tuning hydrogen evolution and nitrogen reduction reactions

过电位 密度泛函理论 之字形的 空位缺陷 材料科学 氧化还原 法拉第效率 化学 电化学 化学物理 结晶学 物理化学 计算化学 无机化学 几何学 电极 有机化学 数学
作者
Ivana Matanović,Kevin Leung,Stephen Percival,James Eujin Park,Ping Lu,Plamen Atanassov,Stanley S. Chou
出处
期刊:Applied Materials Today [Elsevier BV]
卷期号:21: 100812-100812 被引量:27
标识
DOI:10.1016/j.apmt.2020.100812
摘要

Combined computational and experimental approaches were used to evaluate defective 2H-MoS2 nanosheets for their activity and selectivity for hydrogen evolution reaction (HER) and nitrogen reduction reaction (NRR). Density functional theory calculations were used to understand the relationship between HER and NRR activity on the ideal basal MoS2 plane, seven grain-boundaries, ten single-/few-atom vacancies and anti-sites, and zigzag and armchair edge sites. The results confirm that 2H-MoS2 should contain several defects with high activity for HER: armchair and zigzag edges, VS vacancy, MoS2 anti-site, and S-S and Mo-Mo grain boundaries. Considering Gibbs free energy change for all the steps in the NRR mechanism and kinetic barriers for a key NRR step, we have found that activation of perspective NRR selective sites in 2H-MoS2, namely VMoS6 and clusters of S-vacancies, would require large overpotential, conditions at which HER dominates. The DFT conclusions are supported by the electrochemical studies of NRR activity and selectivity under aqueous conditions, which show an increase in NRR activity but a decrease in Faradaic efficiency as applied cell potential becomes more negative. The results of this work therefore highlight the challenges in activating natural 2H-MoS2 for NRR, which would require additional material engineering or reaction condition optimization as a way to suppress HER, decrease the NRR overpotential or preferentially both.
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