Decorating Mg12O12 Nanocage with Late First-Row Transition Metals To Act as Single-Atom Catalysts for the Hydrogen Evolution Reaction

纳米笼 催化作用 过渡金属 Atom(片上系统) 氢原子 结晶学 材料科学 化学 有机化学 群(周期表) 计算机科学 并行计算
作者
Abdulrahman Allangawi,Naveen Kosar,Khurshid Ayub,Mazhar Amjad Gilani,Nur Hazimah Binti Zainal Arfan,M.H.S.A. Hamid,Muhammad Imran,Nadeem S. Sheikh,Tariq Mahmood
出处
期刊:ACS omega [American Chemical Society]
卷期号:8 (41): 37820-37829 被引量:19
标识
DOI:10.1021/acsomega.3c01794
摘要

In the pursuit of sustainable clean energy sources, the hydrogen evolution reaction (HER) has attained significant interest from the scientific community. Single-atom catalysts (SACs) are among the most promising candidates for future electrocatalysis because they possess high thermal stability, effective electrical conductivity, and excellent percentage atom utilization. In the present study, the applicability of late first-row transition metals (Fe-Zn) decorated on the magnesium oxide nanocage (TM@Mg12O12) as SACs for the HER has been studied, via density functional theory. The late first-row transition metals have been chosen as they have high abundance and are relatively low-cost. Among the studied systems, results show that the Fe@Mg12O12 SAC is the best candidate for catalyzing the HER reaction as it exhibits the lowest activation barrier for HER. Moreover, Fe@Mg12O12 shows high stability (Eint = -1.64 eV), which is essential in designing SACs to prevent aggregation of the metal. Furthermore, the results of the electronic properties' analysis showed that the HOMO-LUMO gap of the nanocage is decreased significantly upon doping of Fe (from 4.81 to 2.28 eV), indicating an increase in the conductivity of the system. This study highlights the potential application of the TM@nanocage SAC systems as effective HER catalysts.
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