Adsorption and dissociation of a single water molecule on graphene-like ZnO monolayer with oxygen vacancies: a first-principles study

单层 吸附 离解(化学) 材料科学 分子 石墨烯 密度泛函理论 纳米材料 氧气 物理化学 化学工程 纳米技术 计算化学 化学 有机化学 工程类
作者
Ruijie Yang,Yanping Du
出处
期刊:Physica Scripta [IOP Publishing]
卷期号:98 (3): 035826-035826 被引量:4
标识
DOI:10.1088/1402-4896/acba59
摘要

Abstract ZnO monolayer (ZnO-ML) is a novel two-dimensional (2D) nanomaterial with a structure and characteristics similar to graphene. The interaction between water molecules and ZnO-ML especially oxygen vacancy (V O ) decorated ZnO-ML (V O -ZnO-ML) has not been investigated yet. First-principles calculations are used to comprehensively investigate the adsorption configurations, electronic properties, and adsorption energy of a single H 2 O molecule on ZnO-ML. The H 2 O molecules and ZnO-ML interact strongly, with H 2 O serving as the charge accepter. ZnO-ML can maintain its nonmagnetic feature following the adsorption of H 2 O and the introduction of V O . For the H 2 O dissociation process on pure ZnO-ML, the reaction energy ( E r ) is 95.03 kJ ml −1 and the energy barrier ( E bar ) is 167.54 kJ mol −1 , respectively. The presence of V O can remarkably decrease the E bar and E r to half. Moreover, the E bar and E r can be further reduced with the increase of the V O density. The hydroxyl groups can stably exist on ZnO-ML, and the adsorption becomes stronger with the increase of the V O density. These findings provide details of the interaction between H 2 O and ZnO-ML, thereby facilitating the further research of 2D ZnO nanomaterial in photocatalysis, electrocatalysis, and smart devices.
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