通过使用第一行过渡金属对B12纳米环进行调控，以探索其作为单原子催化剂在氢演化反应中的潜在应用

《Surfaces and Interfaces》：Tuning of B12 Nanoring with First Row Transition Metals toward Potential Application as Single Atom Catalysts for Hydrogen Evolution Reaction

　　

阿西夫·比拉尔（Asif Bilal）|纳文·科萨尔（Naveen Kosar）|莫娜·A·阿齐兹·阿尔贾尔（Mona A. Aziz Aljar）|穆罕默德·纳迪姆·阿尔沙德（Muhammad Nadeem Arshad）|哈立德·A·阿尔扎赫拉尼（Khalid A. Alzahrani）|塔里克·马哈茂德（Tariq Mahmood）

摘要

在追求可持续能源的过程中，氢（H₂）已成为一种极具前景的绿色能源燃料。水分解是一种成熟的氢生产方法，但其实际应用需要高效且低成本的电催化剂。近年来，单原子催化剂（SACs）因其高热稳定性、大表面积和良好的导电性而受到关注。本文利用密度泛函理论（DFT）计算，研究了第一族过渡金属（TMs = Sc-Zn）掺杂的硼十二纳米环（TMs@B12）作为氢释放反应（HER）电催化剂的可行性。分析内容包括所设计TMs@B12复合物的几何结构优化、电子结构及电化学性质。所有复合物均表现出有利于实际应用的热力学稳定性。自然键轨道（NBO）分析显示，TMs@B12框架与吸附的氢之间存在显著的电荷转移，证实了它们之间的强电子相互作用。对反应速率决定步骤的评估表明，V@B12、Ti@B12和Sc@B12具有最低的能量障碍，从而促进了高效的氢释放反应动力学。在筛选出的催化剂中，Sc@B12表现出最有利的氢吸附自由能（?G_H* = -0.313 eV），因此从火山图谱（volcano descriptor）的角度来看，它是最理想的候选材料；而V@B12复合物则显示出最低的计算Heyrovsky活化能障碍。这些发现为高效且经济可行的单原子电催化剂的合理设计提供了宝贵的指导。