Late Transition Metal Doped MXenes Showing Superb Bifunctional Electrocatalytic Activities for Water Splitting via Distinctive Mechanistic Pathways

MXenes公司 双功能 析氧 分解水 材料科学 兴奋剂 催化作用 过渡金属 金属 化学工程 化学物理 纳米技术 物理化学 化学 光电子学 电化学 冶金 有机化学 光催化 工程类 电极
作者
Rohit Anand,Arun S. Nissimagoudar,Muhammad Umer,Miran Ha,Mohammad Zafari,Sohaib Umer,Geunsik Lee,Kwang S. Kim
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:11 (48) 被引量:123
标识
DOI:10.1002/aenm.202102388
摘要

Abstract MXenes have been widely used as substrates of hybrid electrocatalysts for water splitting due to their stability and metallic properties. However, tuning MXenes towards superb hydrogen/oxygen evolution reaction (HER/OER) activity has remained elusive. Using first‐principles calculations along with machine learning (ML) based descriptors, it is shown that late transition metal doping is able to significantly promote HER/OER activities. Both single‐atom adsorption onto a stable hollow site above the outer oxygen layer single‐atom catalyst 1 (SAC1), and single‐atom replacement at a sub‐surface metal layer (SAC2) are considered. An adsorbate evolving mechanism (AEM) is preferred for SAC1, while the increased M‐O bond covalency for SAC2 makes lattice oxygen mechanism (LOM) favored. It is found that a single Ni or Co atom embedded into MXenes provides a suitable number of electrons for optimal AEM and raises the O 2p band towards activated LOM. The stability and superb bifunctional catalytic capability of MXene combinations (Ni‐doped Sc 3 N 2 O 2 and Ni‐doped Nb 3 C 2 O 2 ) towards both HER and OER are demonstrated. The electronic and geometric descriptors used in the ML analysis work universally for classification of high‐performing HER/OER catalysts. This work provides a rational strategy for promoting bifunctional electrocatalytic activities based on low‐cost MXenes metals.
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