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Un caso de estudio teórico de WS2:Rendimiento del almacenamiento de hidrógeno mejorado mediante la alteración de la fase

Resumen

El hidrógeno es una energía limpia con alta eficiencia, mientras que los problemas de almacenamiento y transporte aún impiden su uso extensivo. Debido a la gran superficie específica y la estructura electrónica única, los materiales bidimensionales tienen un gran potencial en el almacenamiento de hidrógeno. Particularmente, monocapa 2H-WS 2 ha demostrado ser adecuado para el almacenamiento de hidrógeno. Pero hay pocos estudios sobre las otras dos fases de WS 2 (1T, 1T ′) en almacenamiento de hidrógeno. Aquí, llevamos a cabo cálculos de primer principio para investigar los comportamientos de adsorción de hidrógeno de las tres fases de WS 2 . Múltiples estudios de adsorción de hidrógeno también evalúan la capacidad de almacenamiento de hidrógeno de estos materiales. Los resultados del análisis exhaustivo muestran que el 1T′-WS 2 tiene un mejor rendimiento de almacenamiento de hidrógeno que el 2H-WS 2 , lo que significa que la ingeniería de fases podría ser una forma eficaz de mejorar el rendimiento del almacenamiento de hidrógeno. Este documento proporciona una referencia para el estudio adicional del almacenamiento de hidrógeno en materiales bidimensionales.

Introducción

El almacenamiento convencional de hidrógeno conlleva un riesgo considerable debido a su bajo nivel de ignición, inflamabilidad de amplio rango y fragilización del acero [1, 2]. Aunque los hidruros metálicos, como CaH 2 , pueden almacenar grandes cantidades de hidrógeno, no solo son inflamables cuando están húmedas, sino que también son caras y difíciles de reutilizar. Por tanto, la búsqueda de un material de almacenamiento de hidrógeno seguro, económico y eficaz se ha convertido en una preocupación generalizada [3]. Debido a su gran área de superficie específica y propiedades electrónicas únicas, los materiales bidimensionales (2D) se han utilizado ampliamente en muchos campos, como la división de agua fotocatalítica, la reacción de desprendimiento de hidrógeno, transistores, dispositivos electroluminiscentes, almacenamiento de gas y adsorción de gas [4, 5,6,7,8,9]. Por ejemplo, la adsorción de hidrógeno en grafeno implica la rehibridación de los orbitales de valencia de carbono mediante la transformación de C – C π enlace a C – H σ enlace, que podría inducir la banda prohibida y el momento magnético alrededor del nivel de Fermi, de modo que la hidrogenación del grafeno ofrece una emocionante posibilidad de escribir directamente circuitos electrónicos a escala atómica con patrones prediseñados [10]. El éxito de los materiales basados ​​en grafeno también ha motivado las investigaciones hacia otros materiales 2D aplicados en la adsorción o almacenamiento de gases [11,12,13,14]. Más importante aún, los materiales de disulfuro de metal de transición monocapa (TMD) han mostrado especialmente un rendimiento excelente en el almacenamiento de hidrógeno [15].

La capacidad de almacenamiento de hidrógeno podría evaluarse mediante la fuerza de adsorción de las moléculas de gas sobre la superficie del material [16]. La fuerza de adsorción no debe ser demasiado fuerte o demasiado débil porque las moléculas de gas objetivo son difíciles de separar del material bajo una fuerte fuerza de adsorción o adsorbidas inestablemente bajo una fuerza de adsorción débil [17]. Las energías de enlace promedio por molécula de hidrógeno de los materiales de almacenamiento de hidrógeno adecuados es de - 0,2 a - 0,6 eV a temperatura ambiente (aproximadamente 25 ° C) [12]. Sin embargo, los materiales originales como el grafeno o los TMD tienen la deficiencia de que su fuerza de unión a las moléculas de hidrógeno es demasiado débil [18, 19]. Los métodos de funcionalización de superficies se utilizaron generalmente para mejorar sus propiedades de adsorción de hidrógeno. Mediante un proceso de dopaje o decoración, las características de la superficie de los materiales 2D pueden cambiarse para adaptarse al rango de energía de adsorción de hidrógeno moderada, y el rendimiento del almacenamiento de hidrógeno puede mejorarse aún más [20]. Sin embargo, es difícil mantener la estabilidad de los sistemas de decoración [21, 22]. Y es un desafío adornar o decorar con precisión [23]. Estos métodos son teóricamente factibles, pero lejos de las aplicaciones.

Como TMD típicos, MoS 2 y WS 2 han demostrado su excelente potencial de aplicación en el campo del almacenamiento de hidrógeno [24, 25]. Debido a su desempeño catalítico superior y propiedades eléctricas únicas, MoS 2 está muy preocupado en muchas áreas [26], y WS 2 a menudo se pasa por alto. En comparación con MoS 2 de una sola capa , WS 2 tiene una mejor estabilidad térmica [27, 28] y una mayor energía de unión con moléculas de hidrógeno bajo deformación por compresión [29]. Se sabe que WS 2 También tiene otras dos fases (1T / 1T ′), que tienen distintas simetrías y diferentes propiedades electrónicas. Estudios anteriores han demostrado que se pueden preparar con métodos sencillos [30, 31]. La mayoría de los métodos se basaron en la transición de fase desde la fase 2H WS 2 y combinado con formas de estabilización. Muchos estudios han demostrado una preparación satisfactoria de 1T / 1T′-WS 2 estable y de alto porcentaje (Tabla S1). Recientemente, el 1T-WS 2 metálico y su ramificación 1T′-WS 2 han demostrado un gran potencial en aplicaciones de reacción de desprendimiento de hidrógeno (HER) [23, 32]. Los resultados de la investigación mostraron que su superficie tiene una fuerza de adsorción moderada al intermedio de reacción H *. Eso allana el camino para sus otras aplicaciones relacionadas con la adsorción de hidrógeno, como el almacenamiento de hidrógeno. Sin embargo, existen pocos estudios sobre las propiedades de almacenamiento de hidrógeno de estas dos fases de WS 2 . Los efectos de la diferencia de fase en el almacenamiento de hidrógeno siempre se han ignorado.

En este trabajo, investigamos las tres fases de WS 2 comparar su idoneidad para ser un material de almacenamiento de hidrógeno. Realizamos un estudio teórico sistemático de las estructuras y analizamos la energía de adsorción y la configuración de adsorción de las moléculas de gas. Para simular condiciones de trabajo reales, se estudió la adsorción de numerosas moléculas de hidrógeno. Con los resultados del cálculo en este trabajo, encontramos que 1T′-WS 2 es el mejor candidato entre estas tres fases de WS 2 como material de almacenamiento de hidrógeno. Alterando la fase de WS 2 da una mejora en el almacenamiento de hidrógeno. Por lo tanto, puede proporcionar una referencia para la investigación del almacenamiento de hidrógeno mediante materiales bidimensionales desde el punto de vista de la fase.

Detalles computacionales

Los primeros principios se utilizaron con base en la teoría funcional de la densidad (DFT). Todo el cálculo en este trabajo se realizó en Dmol3 [33]. La aproximación de densidad local (LDA) se utiliza para manejar los potenciales de intercambio y correlación con la función PWC. El potencial productivo único se utilizó para reemplazar el kernel (pseudopots de semi-núcleo DFT) para reducir el costo de computación. Se logró una mayor precisión eligiendo un conjunto de base orbital numérica dual y una función de polarización orbital (DNP). Luego, se realizó una prueba de convergencia. Después de la prueba, el Monkhorst-Pack k -puntos se estableció en 4 × 4 × 1, luego hacer una capa de vacío de 20 Å para evitar interacciones entre capas. La precisión de la convergencia de energía se estableció en 1 × 10 −5 Hartree (1 Hartree =27,212 eV), el desplazamiento máximo fue 0,005 Å y las fuerzas atómicas no superaron los 0,002 Hartree / Å. Todos los cálculos posteriores siguen estas propiedades.

Para estas tres fases de WS 2 (1T / 1T ′ / 2H), los modelos de cálculo fueron supercélulas de 4 × 4 monocapa WS 2 . El 1T-WS 2 y 2H-WS 2 Las estructuras fueron construidas primero por nosotros mismos. Una vez finalizada la construcción, se lleva a cabo la optimización geométrica, incluida la optimización de la unidad. Y el 1T′-WS 2 fue construido en base al 1T′-MoS 2 existente . Mientras que el 1T′-MoS 2 se construyó sobre la base de un modelo 2 × 2 1T, se estableció un solo átomo de hidrógeno en una unión clave con un átomo S del 1T MoS 2 . Luego, se le dio al sistema otra optimización de geometría. Después de la optimización, los átomos de hidrógeno se eliminaron y optimizaron nuevamente para obtener el 1T′-MoS 2 regular estructura. Después de eso, todos los átomos de Mo fueron reemplazados por átomos de W en un modelo 2 × 2, luego pasaron por una optimización de geometría, incluida la optimización de celda nuevamente.

Con el 2 × 2 WS 2 optimizado modelo, una supercélula de 4 × 4 monocapa WS 2 fue construido. Como se muestra en la Figura S1, los modelos de estas tres fases de WS 2 contienen 32 átomos de S y 16 átomos de W en una celda. Debido a que 16 de los átomos de 25 W presentados en el modelo de fase 1T están en los sitios del borde o esquina, la cantidad válida de átomos de W en la celda sigue siendo 16. Los enlaces entre cada átomos de W en el modelo 1T o 2H son iguales mientras los de 1T′-WS 2 no son iguales. Con el enlace W – W en 1T′-WS 2 , la disposición de los átomos W parece una cadena en zigzag.

En consecuencia, la fase 1T ′ también se denomina fase de cadena en zigzag en algunos estudios. Podemos encontrar unidades repetidas en las tres estructuras que tienen caracteres en común. Como se muestra en las ilustraciones de la Fig. 1, los recuadros verdes representan las unidades repetidas con solo átomos W en el borde, mientras que los rojos son los delineados por átomos S. Debido a la diferencia de simetría, el tamaño de la caja verde en el modelo 1T ′ es casi dos veces más grande que el del modelo 1T. La caja roja en los modelos 1T o 1T ′ es un hexágono, pero en el modelo 2H, es un triángulo. También hay unidades repetidas similares en 1T y 1T′-WS 2 estructuras, como el área rectangular azul en la Figura S1. Además, los elementos axisimétricos que se muestran en los recuadros rojos en los modelos 1T y 1T ′ también se pueden encontrar en la Figura S1 y que también podrían representar la simetría de 1T y 1T′-WS 2 estructura.

Resultados de estructura geométrica, DOS y estructura de bandas de a 2H-WS 2 , b 1T-WS 2 y c 1T′-WS 2 ; las bolas amarillas representan S, y las bolas glaucas representan W

Se colocó una sola molécula de hidrógeno en el c -eje por encima de WS 2 plano para establecer un modelo de adsorción de hidrógeno, y se seleccionaron varios sitios de adsorción con alta simetría geométrica. Para el caso de 1T-WS 2 que se muestra en la Figura S2 (b) y (e), había cinco sitios:un poco sobre el átomo S de la capa superior, un poco sobre el átomo S de la capa inferior, un poco sobre el átomo W, sobre el enlace del átomo W y la capa superior Átomo de S, por encima del enlace del átomo de W y el átomo de S de la capa inferior. Y para 1T′-WS 2 , estas seis situaciones se muestran en la Figura S2 (c) y (f). Para 2H-WS 2 que se muestra en la Figura S2 (a) y (d), había cuatro situaciones:justo encima del sitio del átomo S, justo encima del sitio del átomo W, encima del medio del átomo W y del sitio del átomo S, y justo encima del centro del estructura hexagonal. Estos sitios fueron elegidos porque son sitios altamente simétricos de estos materiales. Después de determinadas optimizaciones geométricas y la comparación de la energía de adsorción, se pudieron encontrar sitios de adsorción estables. Y distinguimos la postura de la molécula de hidrógeno adsorbida en el 1T′-WS 2 debido a su simetría estructural relativamente más baja. Las moléculas de hidrógeno se colocaron horizontal o verticalmente (como se muestra en la Figura S3), lo que duplicó la situación. Después de la optimización de la geometría, toda la energía de adsorción se presenta en la Tabla S2. Los sitios de adsorción más estables se eligieron de acuerdo con los resultados de la energía de adsorción. Para el proceso de adsorción de hidrógeno, la energía de adsorción se calcula mediante la siguiente función: E anuncio = E tot - E tapete - E hid , donde E tot es la energía total de cada una de estas tres fases de WS 2 con las moléculas de hidrógeno adsorbidas, E tapete (energía del material) representa la energía total del prístino WS 2 y E hid representa la energía total de una molécula de hidrógeno aislada. Según esta relación, un valor absoluto superior de E anuncio conduce a una mayor estabilidad del sistema de adsorción. La fuerza de actuación entre los materiales y las moléculas de gas objetivo también se puede reflejar mediante el valor absoluto de E anuncio . Una fuerza repulsiva está representada por un valor positivo de E anuncio , mientras que un valor negativo refleja una fuerza atractiva. Aunque la energía de adsorción exacta no se pudo obtener mediante este método [34], puede reflejar la forma y fuerza de la interacción entre el hidrógeno y el material adsorbente. Como se presentó anteriormente, la energía de adsorción ideal para aplicaciones de almacenamiento de hidrógeno para cada molécula de hidrógeno es de - 0.2 a - 0.6 eV / H 2 a temperatura ambiente [35].

Resultados y discusión

Para todos los modelos de estos materiales, las estructuras con la energía más baja se pudieron encontrar después de la optimización de la geometría. Las longitudes de todos los enlaces W – S en la monocapa 1T-WS 2 y 2H-WS 2 son 2.428 Å y 2.402 Å, respectivamente. Pero aquellos en el 1T′-WS 2 son desiguales, que tienen longitudes de alrededor de 2.453 Å, 2.410 Å y 2.490 Å. También se puede encontrar que los enlaces W – W en el modelo 1T ′ optimizado tienen una longitud de aproximadamente 2.784 Å. Estructuras de bandas de todas estas tres fases de WS 2 prístino optimizado se muestran en la Fig. 1. Para la fase 1T metálica, no hay banda prohibida. Y para la fase 1T ′, tiene una estructura de banda semimetálica. Mientras está en la fase 2H, la estructura de la banda concuerda con la característica de un semiconductor. La densidad parcial de estado (PDOS) de estos tres modelos también se muestra en la Fig. 1. Se puede ver en los resultados de PDOS que la forma de las órbitas Sp y Wd es más similar a la del DOS total en estas tres figuras. , lo que indica que las órbitas Sp y Wd contribuyeron al DOS total, principalmente para las tres fases de WS 2 . La tendencia de los resultados de DOS de 1T′-WS 2 concuerda con la estructura de la banda y concuerda con el estudio anterior [32]. Se compararon las diferentes posiciones de las moléculas de hidrógeno absorbidas para encontrar las más estables en estos tres modelos. Los puestos se eligieron de acuerdo con la E anuncio y los resultados de la carga de Hirschfeld de las situaciones enumeradas sobre las moléculas de hidrógeno individuales absorbidas en las estructuras de estas tres fases (la E anuncio y los resultados de la carga de Hirschfeld se muestran en la Fig. 2a-cy la Tabla S2). Para 1T WS 2 , es el sitio 3, y para 1T′-WS 2 , es el sitio 1 (como se muestra en la Fig. 2b, c), mientras que para 2H-WS 2 , es el sitio 3 (todos mostrados en la Fig. 2a y la Tabla S2-S3). Según estos resultados, en primer lugar, fase 1T WS 2 no es adecuado para la adsorción de hidrógeno porque el E anuncio para hidrógeno en 1T WS 2 es mucho más significativo que 0,6 eV (Tabla S2). Eso significa que será demasiado difícil liberar las moléculas de hidrógeno adsorbidas del 1T WS 2 superficie. Según este resultado, los siguientes estudios no deberían preocuparse por esta fase. El E anuncio los resultados de la fase 1T ′ y la fase 2H están alrededor de - 0.27 eV, ambos están en el rango de energía de adsorción aplicable para aplicaciones de almacenamiento de hidrógeno.

Resultados de la energía de adsorción de H 2 sistema de adsorción para a solo H 2 en 2H-WS2, b y c solo H 2 en 1T’-WS 2 ; Resultados PDOS de la situación con el anuncio E más bajo (izquierda) o el más alto (derecha) en d Modelos 2H y eso en e Modelo 1T

Para comparar más estas dos fases, se llevó a cabo el análisis PDOS, que se muestra en la Fig. 2d, e. Las partes de la izquierda muestran las energías de adsorción de PDOS más bajas de las dos fases, mientras que las partes de la derecha son las dos más altas. Hay pequeñas diferencias en ambas situaciones de la energía más baja o más alta. En la parte izquierda de la Fig. 2d, e (que corresponde a la energía de adsorción más baja), los picos principales están ambos en - 3 a - 5 eV. Mientras que para la parte derecha (que representa la mayor energía de adsorción), apareció entre -2,5 y -6 eV. Esta apariencia significa que hay una superposición más grande entre el PDOS de la molécula de hidrógeno y WS 2 , lo que indica una interacción más fuerte entre ellos. Estos resultados concuerdan bien con los resultados de la energía de adsorción. Sin embargo, los resultados de PDOS para situaciones de una sola molécula de hidrógeno aún no reflejan bien la diferencia en la propiedad de adsorción de hidrógeno entre estos dos tipos de materiales.

Por lo tanto, hemos realizado el estudio sobre diferentes números de moléculas de hidrógeno adsorbidas en la superficie tanto de 1T ′ como de 2H-WS 2 . Como muestra la Figura S4, establecemos diferentes números de moléculas de hidrógeno (16, 32, 48 y 64) en la superficie de 1T ′ y 2H-WS 2 . Para 1T′-WS 2 , cuando el número de moléculas de hidrógeno es inferior a 16, cada una de las moléculas de hidrógeno se coloca en la posición más estable (sitio 1v). Considerando la influencia de la interacción potencial entre múltiples H 2 moléculas, discutimos más a fondo la disposición de H 2 cuando 2 o 3 H 2 moléculas adsorbidas 1T′-WS 2 . Para dos moléculas de hidrógeno, consideramos tres situaciones:sitios vecinos (2H 2 -1), en sitios separados del mismo lado (2H 2 -2), y en los sitios más cercanos de diferentes lados (2H 2 -3). Para tres moléculas de hidrógeno, hubo cinco casos:tres sitios vecinos del mismo lado (3H 2 -1); dos vecinos y uno separado, todos del mismo lado (3H 2 -2); tres separados en el mismo lado (3H 2 -3); dos vecinos en el mismo lado y uno en el otro lado (3H 2 -4); y dos separados en el mismo lado y uno en el otro lado (3H 2 -5). Se comparó la adsorción calculada para cada caso (Tabla S4). Los resultados muestran que el establecimiento de moléculas de hidrógeno en sitios vecinos de 1T′-WS 2 haría que la energía de adsorción total fuera mayor que los casos separados. Eso significa que se producirá un cambio de energía de adsorción irregular si H 2 las moléculas se colocaron al azar incluso en el mismo sitio de adsorción. Sin embargo, no hubo una influencia evidente cuando las moléculas de hidrógeno se colocaron en los sitios más cercanos de diferentes lados de 1T′-WS 2 . Según estos resultados, las moléculas de hidrógeno se establecen de acuerdo con los siguientes principios:cuando H 2 las moléculas están por debajo de 8, las moléculas de hidrógeno se establecen en sitios de adsorción no adyacentes a ambos lados de 1T′-WS 2 ; cuando el número es de 8 a 16, no se pueden evitar los sitios vecinos. Aún así, se evitan en la medida de lo posible los sitios de adsorción adyacentes. Cuando las moléculas de hidrógeno están entre 17 y 32, 16 de ellas se colocan en la posición más estable (sitio 1v) y el resto se colocan verticalmente sobre los átomos de W (sitio 3v). Cuando las moléculas de hidrógeno sean superiores a 32, se dará prioridad a la distancia entre estas moléculas de hidrógeno para evitar la formación de los grupos moleculares de hidrógeno, que se muestra en la Figura S6. Y luego, la ubicación horizontal o vertical dependerá de los resultados de la energía de adsorción del hidrógeno individual. Por lo tanto, cuando el H 2 está entre 33 y 48, las primeras 16 moléculas están en el sitio 1v, las segundas 16 moléculas están en el sitio 3v y el resto están en el sitio 4h. Cuando el número es superior a 48, las primeras 16 moléculas están en el sitio 1v, las segundas 16 moléculas están en el sitio 3v, las terceras 16 moléculas están en el sitio 4h y el resto está en el sitio 2h. Intentamos organizar las moléculas de hidrógeno de manera uniforme en ambos lados de esta estructura y asegurarnos de que la distancia entre cada molécula de hidrógeno sea lo suficientemente grande. En la condición de la fase 2H, similar a los casos de 1T′-WS 2 , cuando las moléculas de hidrógeno están por debajo de 32, cada una se coloca en la posición más estable descrita anteriormente (sitio 3). Para evitar los efectos de la inconsistencia causada por la interacción entre moléculas de hidrógeno, las moléculas de hidrógeno se colocaron en sitios no adyacentes cuando la cantidad es menor que 16. Pero debemos tratar de evitar los sitios vecinos cuando la cantidad está entre 17 y 32. Cuando el número es entre 33 y 64, el resto se coloca en el centro del hexágono (sitio 4). También intentamos distribuir todas las moléculas siguiendo el principio mencionado anteriormente. Por otro lado, también consideramos la estabilidad del sistema de adsorción con una alta concentración de H 2 moléculas. Cuando una molécula de gas tiene más de 16, la estabilidad de todo el sistema también se ha explorado mediante simulaciones de dinámica molecular, que se presenta en la Figura S7. Después de 500 pasos de simulación de dinámica de moléculas, no surge ningún pandeo de geometría y la energía total también permanece casi constante para que todo el sistema tenga una gran estabilidad.

La energía de adsorción a las moléculas de hidrógeno se calculó después de una optimización geométrica. Como muestra la Fig. 3, no importa qué fase de WS 2 , la energía de adsorción total aumenta casi linealmente cuando aumenta el número de moléculas de hidrógeno. Eso significa que cuando aumenta el número de moléculas de hidrógeno, la fuerza de interacción entre el material y las moléculas adsorbidas no cambia mucho. El área verde en la Fig. 3a presenta el área de energía de adsorción de hidrógeno moderada. Se puede encontrar que 2H-WS 2 sale de esta área antes de la fase 1T ′. Eso significa que cuando la cantidad de H 2 adsorbido las moléculas se vuelven redundantes, será difícil liberar más moléculas de hidrógeno de 2H-WS 2 que de 1T′-WS 2 , que pretende una menor capacidad de hidrógeno. Entonces también, como muestra la Fig.3, el número de moléculas de hidrógeno para las energías de adsorción promedio de las moléculas de hidrógeno adsorbidas en el rango de - 0.2 a - 0.6 eV está por debajo de 48 o 55 en la situación de la fase 2H o 1T ′. , respectivamente. Eso significa la cantidad teórica razonable de adsorción de hidrógeno en 2H-WS 2 puede ser hasta 2,4% en peso, mientras que en la fase 1T ', puede ser hasta 2,7% en peso. Eso revela que cambiar la fase podría mejorar el rendimiento de almacenamiento de hidrógeno de WS 2 efectivamente. La energía de adsorción promedio de los dos tipos de WS 2 disminuye y luego aumenta cuando no es más de 8. Es fácil entender que cuando el material adsorbe más moléculas de gas, la fuerza de interacción promedio entre las moléculas de gas y el material se debilitará. Sin embargo, cuando el número de moléculas de hidrógeno es superior a 8, aún se desconoce la razón del aumento de la energía de adsorción promedio.

Gráficos de a energía de adsorción total y b energía de adsorción promedio en función del número de moléculas de hidrógeno absorbidas en el 1T'- y 2H-WS 2

Realice el estudio de PDOS nuevamente, como se muestra en la Fig. 4. Se puede encontrar que a medida que aumenta el número de moléculas de hidrógeno, el PDOS total de las moléculas de hidrógeno adsorbidas se dispersa en ambas fases de WS 2 (especialmente cuando el número de moléculas de hidrógeno es superior a 16). Y el alcance de PDOS de moléculas de hidrógeno individuales adsorbidas en estos sistemas también se vuelve más extenso. Pero el PDOS para los átomos W y S permanece sin cambios, lo que representa la estabilidad de estos dos materiales cuando se adsorbieron moléculas de hidrógeno. Los resultados también muestran que a medida que aumenta el número de moléculas de hidrógeno, el área de superposición de PDOS entre las moléculas de hidrógeno y los dos WS 2 moléculas aumenta.

Resultados de PDOS de múltiples H 2 sistemas de adsorción para a todos y b moléculas de hidrógeno individuales en 2H-WS 2 y 1T’-WS 2

La interacción entre moléculas de hidrógeno y WS 2 se vuelve más fuerte. Eso revela la razón del aumento en la energía de adsorción promedio cuando aumenta el número de moléculas de hidrógeno adsorbidas.

Para explorar más a fondo la interacción entre las moléculas de hidrógeno y los materiales, también se llevó a cabo el estudio de diferencia de densidad de electrones (EDD). Como se muestra en la Fig. 5 (formas en planta en la Figura S5), el EDD resulta cuando 4, 16, 32 y 64 moléculas de hidrógeno se adsorben en 2H o 1T′-WS 2 fueron presentados. Las áreas naranjas representan áreas de valor positivo, lo que indica una tendencia a obtener electrones. Mientras que las áreas azules significan áreas negativas, lo que representa un agotamiento de electrones. Para 2H y 1T′-WS 2 , era más probable que las áreas naranjas aparecieran cerca de los átomos de S, mientras que las áreas azules estaban cerca de los átomos de H. La tendencia se vuelve más clara cuando se adsorben 32 o 64 hidrógenos, como muestra la Fig. 5c, d, gyh. También se pudo observar que había áreas anaranjadas y azules entre las moléculas de hidrógeno cuando se adsorbieron más moléculas de hidrógeno, lo que indica una interacción entre el H 2 adsorbido. existen moléculas. Eso se suma a la fuerza de adsorción de cada molécula de hidrógeno en el material, aumentando la energía de adsorción promedio. Además, hay otra cosa que no se puede ignorar:se pueden ver áreas azules evidentes cuando se adsorben más moléculas de hidrógeno en 1T′-WS 2 (Figura 5 g, h). Mientras que en los casos 2H, tal fenómeno no es evidente. Eso manifiesta que los átomos de W también pasaron por un proceso de redistribución de electrones. Y los átomos de W en 1T′-WS 2 tendía a ofrecer más electrones para compartir el suministro de electrones que principalmente proporcionan las moléculas de hidrógeno que en 2H-WS 2 casos. En base a esto, la fuerza de acción sobre cada molécula de hidrógeno se debilitó hasta cierto punto. Esa podría ser la razón por la que el 1T′-WS 2 podría acomodar más moléculas de hidrógeno que el 2H-WS 2 bajo la garantía de que la fuerza de adsorción media sea moderada.

Densidad de diferencia electrónica de a 4H 2 en 2H-WS 2 , b 16H 2 en 2H-WS 2 , c 32H 2 en 2H-WS 2 , d 64H 2 en 2H-WS 2 , e 4H 2 en 1T′-WS 2 , f 16H 2 en 1T′-WS 2 , g 32H 2 en 1T′-WS 2 y h 64H 2 en 1T′-WS 2 . El valor de isosuperficie se toma como 0,002 e / Å

Conclusión

En este artículo, los modelos de adsorción de hidrógeno de 2H, 1T y 1T ′ monocapa WS 2 fueron construidos. Su capacidad de adsorción de hidrógeno se explora mediante aproximación de densidad local (LDA). Luego, al comparar la energía de adsorción cuando se adsorbieron múltiples moléculas de hidrógeno, se encontró que 1T′-WS 2 podría contener más moléculas de hidrógeno que 2H-WS 2 mientras que la energía de adsorción promedio está en el rango moderado (- 0.2 a - 0.6 eV). Puede alcanzar una relación de adsorción de hidrógeno razonable de hasta 2,7% en peso, más que la de 2H-WS 2 , que es 2,4% en peso, lo que indica que la influencia de la fase es evidente para el almacenamiento de hidrógeno, y la fase 1T ′ WS 2 posee una mayor capacidad de hidrógeno que la contraparte 2H. Considerando todos los resultados calculados en este estudio, 1T ′ fase WS 2 es un material adecuado para aplicaciones de adsorción de hidrógeno. Podría proporcionar una referencia teórica para estudios sobre materiales de almacenamiento de hidrógeno altamente integrados.

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