掺杂六方碳化硅纳米管作为双功能水分解电催化剂的第一性原理研究

为解决传统贵金属催化剂成本高、稳定性差的问题，研究人员通过密度泛函理论(DFT)系统研究了氮(N)与非金属(P/B/Al/O/S)掺杂六方碳化硅纳米管(ZH-SiCNTs)的结构与催化性能。结果表明，N单掺杂体系(ZH-SiCNT-N)表现出最优的双功能催化活性，其氢析出反应(HER)吉布斯自由能(ΔG=?0.072 eV)和氧析出反应(OER)过电位(η=0.588 V)均优于传统催化剂，为设计高效稳定的无金属水分解催化剂提供了理论依据。

　　

随着全球能源需求增长和环境问题加剧，绿色氢能通过太阳能或风电驱动水分解制取成为研究热点。然而，该过程涉及动力学迟缓的氧析出反应(OER)和氢析出反应(HER)，需要高效稳定的电催化剂。尽管铂(Pt)、铱(Ir)等贵金属表现出优异活性，但其稀缺性和高成本限制了应用。近年来，碳基材料如碳量子点(CQDs)和碳纳米管(CNTs)因其可调控的电子结构和成本优势受到关注，但碳材料在OER过程中易发生氧化降解。硅(Si)因其高储氢能力(～14 wt%)和电子调控潜力成为新兴候选材料，而碳化硅(SiC)纳米管结合了碳和硅的优势，但其本征半导体特性制约了催化效率。

针对这一挑战，中国国家自然科学基金和沙特国王大学资助的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表论文，通过密度泛函理论(DFT)系统研究了掺杂六方碳化硅纳米管(ZH-SiCNTs)的双功能催化性能。研究采用Gaussian 16软件和B3LYP泛函，计算了氮(N)与磷(P)、硼(B)、铝(Al)、氧(O)、硫(S)等非金属单/共掺杂体系的几何结构、电子特性和催化活性。

结构配置与几何分析
研究发现掺杂导致ZH-SiCNTs局部几何畸变，其中N在Si位点掺杂使Si-N键长缩短至1.65 ?，而P在C位点掺杂使C-P键长达1.85 ?。双掺杂体系如ZH-SiCNT-N-P产生更显著的结构扭曲，形成有利于催化反应的活性位点。结合能计算证实所有掺杂构型均具有热力学稳定性。

电子特性与催化机制
能带分析显示掺杂显著降低带隙，N-P共掺杂使带隙减小0.8 eV，电荷局域化增强。HER活性评估中，ZH-SiCNT-N的ΔG_H*接近理想值(?0.072 eV)，优于Pt基准(ΔG=0 eV)。OER性能方面，N掺杂体系的过电位(η=0.588 V)较未掺杂体系降低32%，归因于N引入的浅施主能级促进电荷转移。

结论与意义
该研究首次证实N掺杂ZH-SiCNTs可作为高效双功能无金属催化剂，其HER/OER活性超越多数传统材料。通过调控掺杂类型与位点，实现了电子结构的精准裁剪，为设计低成本、高稳定性的水分解催化剂提供了新范式。特别值得注意的是，N单掺杂体系展现出协同优化效应——既能通过氮的孤对电子增强H⁺吸附，又能通过Si的缺电子特性促进OH^?脱附，这种"双位点激活"机制为后续实验研究指明了方向。研究成果对推动氢能经济具有重要意义，被期刊选为封面文章推荐。