Computational screening of nonmetal dopants to active MoS2 basal-plane for hydrogen evolution reaction via structural descriptor

非金属 掺杂剂 过电位 化学 催化作用 兴奋剂 密度泛函理论 计算化学 无机化学 化学物理 物理化学 材料科学 有机化学 金属 电化学 光电子学 电极
作者
Xiaopei Xu,Zhipeng Peng,Haoxiang Xu,Daojian Cheng
出处
期刊:Journal of Catalysis [Elsevier BV]
卷期号:416: 47-57 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.jcat.2022.10.011
摘要

Nonmetal doping is an efficient approach to activate inert MoS2 basal plane, which converts MoS2 into an electrocatalyst for the hydrogen evolution reaction (HER). However, the trial-and-error approach through experimental attempt is still a common practice to search for suitable nonmetal dopants. In this work, we employ density functional theory (DFT) and microkinetic model to assess alkaline HER activity of nonmetal-modified MoS2(0 0 1), which show strong variation in the degree of activation by single- or double-dopants across nonmetal element series (B, C, N, P, O, S, Se and Te). To assist the screening of nonmetal dopants to active MoS2 basal plane, a structural descriptor-based prediction model is constructed. It demonstrates that the activation effect of nonmetal dopant is achieved through the adjustment of valence electron occupancy of reaction center, which tunes the adsorption energy of atomic hydrogen and hydroxide radical, and accordingly reaction kinetic for alkaline HER. The structural descriptor-based prediction model reproduce the activity trend among non-metallic doped MoS2 from available experimental references. In addition, we screened out MoS2 modified by BTe and BSe double dopants with lower overpotential than reported nonmetal-modified MoS2 systems. This work gives a deep insight into activation mechanism of nonmetal dopant for MoS2, and provides an efficient screening strategy for future catalyst design of transition metal dichalcogenides.
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