Interface and Heteroatom Engineering in Graphene/g-C3N4 Heterostructures: A Pathway to High-Efficiency Metal-Free Catalysts for Hydrogen Evolution Reaction

杂原子 异质结 催化作用 接口(物质) 石墨烯 材料科学 金属 化学工程 纳米技术 化学 光电子学 有机化学 冶金 复合材料 工程类 戒指(化学) 毛细管数 毛细管作用
作者
S.J. Wang,Jingxiang Zhao
出处
期刊:Journal of Physics D [Institute of Physics]
标识
DOI:10.1088/1361-6463/adba72
摘要

Abstract As a clean and sustainable energy source, hydrogen is expected to play a crucial role in addressing excessive carbon dioxide emissions and the depletion of fossil fuels. Herein, by means of density functional theory (DFT) computations, we have systematically investigated the effects of interface engineering in a series of graphene/ g-C3N4 (G/g-C3N4) with heteroatom doping (X-G/g-C3N4 and G/X-g-C3N4, X = B, N, Si, P and S) on hydrogen evolution reaction (HER) catalytic performance. Our results reveal that these X-doped G/g-C3N4 interfaces exhibit excellent stability, enhanced metallic features, terrific mechanic properties and exceptional magnetic properties. Remarkably, through precise regulation of the positioning of Si or P heteroatom, X-G/g-C3N4 interfaces demonstrate outstanding excellent catalytic performance, characterized by hydrogen adsorption free energy (∆GH*) values approaching zero, which can be ascribed to its appropriately positioned p-band centers near the Fermi level. This work provides valuable insights for the rational design of HER catalysts aimed at sustainable high-purity H2 production.
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