Eine theoretische WS2-Fallstudie:Verbesserung der Wasserstoffspeicherleistung durch Phasenänderung

Einführung

Die konventionelle Wasserstoffspeicherung birgt aufgrund ihrer geringen Zündfähigkeit, ihrer weitreichenden Entflammbarkeit und der Versprödung auf Stahl ein erhebliches Risiko [1, 2]. Obwohl Metallhydride wie CaH₂ , können große Mengen Wasserstoff speichern, sind im nassen Zustand nicht nur brennbar, sondern auch teuer und schwer wiederzuverwenden. Daher ist die Suche nach einem sicheren, wirtschaftlichen und effektiven Wasserstoffspeichermaterial zu einem weit verbreiteten Anliegen geworden [3]. Aufgrund ihrer großen spezifischen Oberfläche und einzigartigen elektronischen Eigenschaften werden zweidimensionale (2D) Materialien in vielen Bereichen wie der photokatalytischen Wasserspaltung, der Wasserstoffentwicklungsreaktion, Transistoren, Elektrolumineszenzvorrichtungen, Gasspeicherung und Gasadsorption weit verbreitet verwendet [4, 5,6,7,8,9]. Beispielsweise führt die Adsorption von Wasserstoff an Graphen zur Rehybridisierung von Kohlenstoff-Valenzorbitalen durch Umwandlung von C-C π Bindung an C–H σ Bindung, die die Bandlücke und das magnetische Moment um das Fermi-Niveau induzieren könnte, so dass die Hydrierung von Graphen eine spannende Möglichkeit bietet, elektronische Schaltungen auf atomarer Ebene mit vorgefertigten Mustern direkt zu schreiben [10]. Der Erfolg von Graphen-basierten Materialien hat auch Forschungen zu anderen 2D-Materialien motiviert, die in der Gasadsorption oder -speicherung verwendet werden [11,12,13,14]. Noch wichtiger ist, dass insbesondere einschichtige Übergangsmetalldisulfid-(TMD)-Materialien eine hervorragende Leistung bei der Wasserstoffspeicherung gezeigt haben [15].

Die Fähigkeit zur Wasserstoffspeicherung konnte anhand der Adsorptionsstärke der Gasmoleküle an der Materialoberfläche bewertet werden [16]. Die Adsorptionsstärke sollte weder zu stark noch zu schwach sein, da die Zielgasmoleküle bei starker Adsorptionskraft schwer vom Material zu trennen sind oder bei schwacher Adsorptionskraft unstetig adsorbiert werden [17]. Die durchschnittlichen Bindungsenergien pro Wasserstoffmolekül geeigneter Wasserstoffspeichermaterialien betragen − 0,2 bis − 0,6 eV bei Raumtemperatur (ca. 25 °C) [12]. Originalmaterialien wie Graphen oder TMDs haben jedoch den Mangel, dass ihre Bindungskraft an Wasserstoffmoleküle zu schwach ist [18, 19]. Oberflächenfunktionalisierungsverfahren wurden gewöhnlich verwendet, um ihre wasserstoffadsorbierenden Eigenschaften zu verbessern. Durch Dotierungs- oder Dekorationsverfahren können die Oberflächeneigenschaften von 2D-Materialien an den Bereich moderater Wasserstoffadsorptionsenergie angepasst und die Wasserstoffspeicherleistung weiter verbessert werden [20]. Allerdings ist es schwierig, die Stabilität von Dekorationssystemen aufrechtzuerhalten [21, 22]. Und es ist eine Herausforderung, akkurat zu dotieren oder zu dekorieren [23]. Solche Methoden sind theoretisch machbar, aber weit entfernt von Anwendungen.

Als typische TMDs, MoS₂ und WS₂ haben ihr hervorragendes Anwendungspotenzial im Bereich der Wasserstoffspeicherung bewiesen [24, 25]. Aufgrund seiner überragenden katalytischen Leistung und einzigartigen elektrischen Eigenschaften ist MoS₂ ist in vielen Bereichen weit verbreitet [26] und WS₂ wird oft übersehen. Im Vergleich zu einlagigem MoS₂ , WS₂ hat eine bessere thermische Stabilität [27, 28] und eine größere Bindungsenergie mit Wasserstoffmolekülen unter Druckbelastung [29]. Es ist bekannt, dass WS₂ hat auch zwei andere Phasen (1T/1T′), die unterschiedliche Symmetrien und unterschiedliche elektronische Eigenschaften aufweisen. Frühere Studien haben gezeigt, dass sie mit einfachen Methoden hergestellt werden können [30, 31]. Die meisten Methoden basierten auf dem Phasenübergang von der 2H-Phase WS₂ und kombiniert mit Stabilisierungswegen. Viele Studien haben die erfolgreiche Herstellung von hochprozentigem und stabilem 1T/1T′-WS₂ . gezeigt (Tabelle S1). Vor kurzem das metallische 1T-WS₂ und seine Verzweigung 1T′-WS₂ haben ein großes Potenzial bei Anwendungen für Wasserstoffentwicklungsreaktionen (HER) gezeigt [23, 32]. Die Forschungsergebnisse zeigten, dass ihre Oberfläche eine mäßige Adsorptionsstärke für das Reaktionszwischenprodukt H* aufweist. Dies ebnet den Weg für ihre anderen Anwendungen, die sich auf die Adsorption von Wasserstoff beziehen, wie beispielsweise die Wasserstoffspeicherung. Es gibt jedoch nur wenige Studien zu den Wasserstoffspeichereigenschaften dieser beiden Phasen von WS₂ . Die Auswirkungen der Phasendifferenz auf die Wasserstoffspeicherung wurden immer ignoriert.

In dieser Arbeit haben wir alle drei Phasen von WS₂ . untersucht ihre Eignung als Wasserstoffspeichermaterial zu vergleichen. Wir führten eine systematische theoretische Untersuchung der Strukturen durch und analysierten die Adsorptionsenergie und die Adsorptionskonfiguration von Gasmolekülen. Um reale Arbeitsbedingungen zu simulieren, wurde die Adsorption zahlreicher Wasserstoffmoleküle untersucht. Mit den Berechnungsergebnissen in dieser Arbeit haben wir festgestellt, dass 1T′-WS₂ ist der beste Kandidat unter diesen drei Phasen von WS₂ als Wasserstoffspeichermaterial. Ändern der Phase von WS₂ ergibt eine Verbesserung der Wasserstoffspeicherung. Somit kann es eine Referenz für die Erforschung der Wasserstoffspeicherung durch zweidimensionale Materialien im Hinblick auf die Phase darstellen.

Rechentechnische Details

Die ersten Prinzipien wurden basierend auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) verwendet. Alle Berechnungen in dieser Arbeit wurden in Dmol3 durchgeführt [33]. Die lokale Dichteapproximation (LDA) wird verwendet, um Austausch- und Korrelationspotentiale mit der PWC-Funktion zu behandeln. Das einzelne produktive Potenzial wurde verwendet, um den Kernel (DFT-Semi-Core-Pseudopots) zu ersetzen, um den Rechenaufwand zu reduzieren. Eine höhere Genauigkeit wurde durch die Wahl eines dualen numerischen Orbitalbasissatzes und einer Orbitalpolarisationsfunktion (DNP) erreicht. Dann wurde ein Konvergenztest durchgeführt. Nach dem Test das Monkhorst-Pack k -points wurde auf 4 × 4 × 1 gesetzt, dann eine Vakuumschicht von 20  Å erstellen, um Wechselwirkungen zwischen den Schichten zu verhindern. Die Energiekonvergenzpräzision wurde auf 1 × 10 ^–5 . eingestellt Hartree (1 Hartree =27,212 eV), die maximale Verschiebung betrug 0,005 Å und die Atomkräfte lagen nicht über 0,002 Hartree/Å. Alle späteren Berechnungen folgen diesen Eigenschaften.

Für diese drei Phasen von WS₂ (1T/1T′/2H), die Berechnungsmodelle waren Superzellen von 4 × 4 Monolayer WS₂ . Der 1T-WS₂ und 2H-WS₂ Strukturen wurden zuerst von uns selbst gebaut. Nach Fertigstellung der Konstruktion erfolgt die geometrische Optimierung einschließlich der Einheitenoptimierung. Und die 1T′-WS₂ wurde basierend auf dem bestehenden 1T′-MoS₂ . gebaut . Während das 1T′-MoS₂ wurde basierend auf einem 2 × 2 1T-Modell gebaut, ein einzelnes Wasserstoffatom wurde mit einem S-Atom des 1T MoS₂ . verbunden . Anschließend erhielt das System eine weitere Geometrieoptimierung. Nach der Optimierung wurden die Wasserstoffatome entfernt und erneut optimiert, um das reguläre 1T′-MoS₂ . zu erhalten Struktur. Danach wurden alle Mo-Atome in einem 2 × 2-Modell durch W-Atome ersetzt, dann durchliefen wir eine Geometrieoptimierung, einschließlich erneuter Zelloptimierung.

Mit dem optimierten 2 × 2 WS₂ Modell, eine Superzelle aus 4 × 4 Monolayer WS₂ wurde errichtet. Wie in Abbildung S1 gezeigt, sind die Modelle all dieser drei Phasen von WS₂ enthalten 32 S-Atome und 16 W-Atome in einer Zelle. Da sich 16 der 25 W-Atome, die im 1T-Phasenmodell präsentiert werden, an den Stellen der Kante oder Ecke befinden, beträgt die gültige Menge an W-Atomen in der Zelle immer noch 16. Die Bindungen zwischen den einzelnen W-Atomen im 1T- oder 2H-Modell sind gleich, während die in 1T′-WS₂ sind nicht gleich. Mit der W-W-Bindung in 1T′-WS₂ , sieht die Anordnung der W-Atome wie eine Zickzackkette aus.

Folglich wird die 1T′-Phase in einigen Studien auch als Zickzack-Kettenphase bezeichnet. Wir können Wiederholungseinheiten in den drei Strukturen finden, die Zeichen gemeinsam haben. Wie in den Abbildungen von Abb. 1 gezeigt, stellen die grünen Kästchen die sich wiederholenden Einheiten mit nur W-Atomen am Rand dar, während die roten Kästchen diejenigen sind, die von S-Atomen umrandet sind. Aufgrund des Symmetrieunterschieds ist die Größe der grünen Box im 1T′-Modell fast doppelt so groß wie die des 1T-Modells. Das rote Kästchen bei den 1T- oder 1T′-Modellen ist ein Sechseck, beim 2H-Modell jedoch ein Dreieck. Es gibt auch ähnliche sich wiederholende Einheiten in 1T und 1T′-WS₂ Strukturen, wie der blaue rechteckige Bereich in Abbildung S1. Außerdem sind die in den roten Kästchen in den 1T- und 1T′-Modellen gezeigten axialsymmetrischen Elemente auch in Abbildung S1 zu finden und könnten auch die Symmetrie von 1T und 1T′-WS₂ . darstellen Struktur.

Geometriestruktur, DOS und Bandstrukturergebnisse von a 2H-WS₂ , b 1T-WS₂ , und c 1T′-WS₂; gelbe Kugeln stehen für S, und gruselige Kugeln für W

Auf dem c . wurde ein einzelnes Wasserstoffmolekül platziert -Achse über dem WS₂ Ebene, um ein Wasserstoffadsorptionsmodell zu erstellen, und mehrere Adsorptionsstellen mit hoher geometrischer Symmetrie wurden ausgewählt. Für den Fall von 1T-WS₂ wie in Abbildung S2 (b) und (e) gezeigt, gab es fünf Stellen:knapp über dem S-Atom der oberen Schicht, knapp über dem S-Atom der unteren Schicht, knapp über dem W-Atom, über der Bindung des W-Atoms und der oberen Schicht S-Atom, oberhalb der Bindung von W-Atom und S-Atom der unteren Schicht. Und für 1T′-WS₂ , diese sechs Situationen wurden in Abbildung S2 (c) und (f) gezeigt. Für 2H-WS₂ Wie in Abbildung S2 (a) und (d) gezeigt, gab es vier Situationen:knapp über dem S-Atomplatz, knapp über dem W-Atomplatz, über der Mitte des W-Atom- und S-Atomplatzes und direkt über dem Zentrum des Sechseck-Struktur. Diese Stellen wurden gewählt, da sie hochsymmetrische Stellen dieser Materialien sind. Nach gegebener Geometrieoptimierung und Vergleich der Adsorptionsenergie konnten stabile Adsorptionsplätze gefunden werden. Und wir haben die Haltung des auf dem 1T′-WS₂ . adsorbierten Wasserstoffmoleküls unterschieden wegen seiner relativ geringeren strukturellen Symmetrie. Die Wasserstoffmoleküle wurden entweder horizontal oder vertikal angeordnet (wie in Abbildung S3 gezeigt), was die Situation verdoppelte. Nach der Geometrieoptimierung ist die gesamte Adsorptionsenergie in Tabelle S2 dargestellt. Die stabilsten Adsorptionsstellen wurden entsprechend den Ergebnissen der Adsorptionsenergie ausgewählt. Für den Wasserstoffadsorptionsprozess wird die Adsorptionsenergie durch die folgende Funktion berechnet:E _Anzeige =E _tot − E _Matte − E _hyd , wobei E _tot ist die Gesamtenergie jeder dieser drei Phasen von WS₂ mit den adsorbierten Wasserstoffmolekülen, E _Matte (Energie des Materials) repräsentiert die Gesamtenergie des unberührten WS₂ , und E _hyd stellt die Gesamtenergie eines isolierten Wasserstoffmoleküls dar. Gemäß dieser Beziehung ist ein höherer Absolutwert von E _Anzeige führt zu mehr Stabilität des Adsorptionssystems. Die zwischen den Materialien und den Zielgasmolekülen wirkende Kraft kann auch durch den Absolutwert von E . widergespiegelt werden _Anzeige . Eine abstoßende Kraft wird durch einen positiven Wert von E . dargestellt _Anzeige , während ein negativer Wert eine Anziehungskraft widerspiegelt. Obwohl die genaue Adsorptionsenergie mit dieser Methode nicht ermittelt werden konnte [34], kann sie die Form und Stärke der Wechselwirkung zwischen Wasserstoff und adsorbierendem Material widerspiegeln. Wie oben eingeführt, beträgt die ideale Adsorptionsenergie für Wasserstoffspeicheranwendungen für jedes Wasserstoffmolekül − 0,2 bis − 0,6 eV/H₂ bei Raumtemperatur [35].

Ergebnisse und Diskussion

Für alle Modelle dieser Materialien konnten nach der Geometrieoptimierung die Strukturen mit der niedrigsten Energie gefunden werden. Die Längen aller W-S-Bindungen in der Monoschicht 1T-WS₂ und 2H-WS₂ sind 2,428 Å bzw. 2,402 Å. Aber die in der 1T′-WS₂ sind ungleich, die Längen von etwa 2,453 Å, 2,410 Å und 2,490 Å haben. Es zeigt sich auch, dass W-W-Bindungen im optimierten 1T′-Modell eine Länge von etwa 2.784 Å haben. Bandstrukturen all dieser drei Phasen des optimierten unberührten WS₂ sind in Abb. 1 dargestellt. Für die metallische 1T-Phase gibt es keine Bandlücke. Und für die 1T′-Phase hat es eine halbmetallische Bandstruktur. In der 2H-Phase stimmt die Bandstruktur mit der Charakteristik eines Halbleiters überein. Die partielle Zustandsdichte (PDOS) dieser drei Modelle ist auch in Abb. 1 dargestellt. Aus den PDOS-Ergebnissen ist ersichtlich, dass die Form der Sp- und Wd-Bahnen der Gesamt-DOS in all diesen drei Abbildungen am ähnlichsten ist , was darauf hinweist, dass Sp- und Wd-Orbits zur Gesamt-DOS beigetragen haben, hauptsächlich für alle diese drei Phasen von WS₂ . Die Tendenz der DOS-Ergebnisse von 1T′-WS₂ entspricht der Bandstruktur und stimmt mit der vorherigen Studie überein [32]. Die verschiedenen Positionen der absorbierten Wasserstoffmoleküle wurden verglichen, um die stabilsten in all diesen drei Modellen zu finden. Die Positionen wurden nach dem E ausgewählt _Anzeige und Hirschfeld-Ladungsergebnisse der aufgeführten Situationen über die absorbierten einzelnen Wasserstoffmoleküle in den Strukturen dieser drei Phasen (das E _Anzeige und Hirschfeld-Ladungsergebnisse sind in Abb. 2a–c und Tabelle S2) gezeigt. Für 1T WS₂ , es ist Standort 3 und für 1T′-WS₂ , es ist Standort 1 (wie in Abb. 2b, c gezeigt), während für 2H-WS₂ , es ist Standort 3 (alle in Fig. 2a und Tabelle S2-S3 gezeigt). Basierend auf diesen Ergebnissen, erstens, 1T Phase WS₂ ist nicht für die Wasserstoffadsorption geeignet, da das E _Anzeige für Wasserstoff auf 1T WS₂ ist weit signifikanter als 0.6 eV (Tabelle S2). Das bedeutet, dass es zu schwer sein wird, die adsorbierten Wasserstoffmoleküle aus dem 1T WS₂ . freizusetzen Oberfläche. Nach diesem Ergebnis sollten sich die folgenden Studien nicht mit dieser Phase befassen. Das E _Anzeige die Ergebnisse der 1T′-Phase und der 2H-Phase liegen bei etwa − 0,27 eV, beide liegen im anwendbaren Adsorptionsenergiebereich für Wasserstoffspeicheranwendungen.

Ergebnisse der Adsorptionsenergie von H₂ Adsorptionssystem für a einzelne H₂ auf 2H-WS2, b und c einzelne H₂ am 1T’-WS₂; PDOS-Ergebnisse der Situation mit der niedrigsten (links) oder der höchsten (rechts) E_Anzeige in d 2H-Modelle und das in e 1T’-Modell

Um diese beiden Phasen weiter zu vergleichen, wurde die PDOS-Analyse durchgeführt, die in Abb. 2d dargestellt ist, z. Die linken Teile zeigen die niedrigsten PDOS-Adsorptionsenergien der beiden Phasen, während die rechten Teile die beiden höchsten sind. Es gibt kleine Unterschiede in beiden Situationen der niedrigsten oder der höchsten Energie. Im linken Teil von Abb. 2d, e (entspricht der niedrigsten Adsorptionsenergie), liegen die Hauptpeaks beide bei − 3 bis − 5 eV. Während sie für den rechten Teil (der die höchste Adsorptionsenergie darstellt) zwischen − 2.5 und − 6 eV erschien. Dieses Aussehen bedeutet, dass es eine größere Überlagerung zwischen der PDOS des Wasserstoffmoleküls und WS₂ . gibt , was auf eine stärkere Interaktion zwischen ihnen hinweist. Diese Ergebnisse stimmen gut mit den Ergebnissen der Adsorptionsenergie überein. Die PDOS-Ergebnisse für Einzelwasserstoffmolekül-Situationen konnten jedoch den Unterschied in der Wasserstoffadsorptionseigenschaft zwischen diesen beiden Arten von Materialien immer noch nicht gut widerspiegeln.

Aus diesem Grund haben wir eine Studie über die unterschiedliche Anzahl von Wasserstoffmolekülen durchgeführt, die auf der Oberfläche von 1T′ und 2H-WS₂ . adsorbiert sind . Wie Abbildung S4 zeigt, setzen wir auf der Oberfläche von 1T′ und 2H-WS₂ . eine unterschiedliche Anzahl von Wasserstoffmolekülen (16, 32, 48 und 64). . Für 1T′-WS₂ , wenn die Zahl der Wasserstoffmoleküle unter 16 liegt, wird jedes der Wasserstoffmoleküle in die stabilste Position gebracht (Stelle 1v). Unter Berücksichtigung des Einflusses der potentiellen Wechselwirkung zwischen mehreren H₂ Moleküle diskutierten wir weiter die Anordnung von H₂ wenn 2 oder 3 H₂ Moleküle adsorbiert 1T′-WS₂ . Für zwei Wasserstoffmoleküle haben wir drei Situationen betrachtet:benachbarte Orte (2H₂ -1), auf getrennten Seiten derselben Seite (2H₂ .) -2) und auf den nächstgelegenen Seiten verschiedener Seiten (2H₂ .) -3). Bei drei Wasserstoffmolekülen gab es fünf Fälle:drei benachbarte Stellen derselben Seite (3H₂ -1); zwei benachbarte und eine getrennte, alle auf derselben Seite (3H₂ .) -2); drei auf derselben Seite getrennt (3H₂ -3); zwei Nachbarn auf der gleichen Seite und einer auf der anderen Seite (3H₂ .) -4); und zwei getrennt auf derselben Seite und einer auf der anderen Seite (3H₂ .) -5). Die berechnete Adsorption wurde für jeden Fall verglichen (Tabelle S4). Die Ergebnisse zeigen, dass das Setzen von Wasserstoffmolekülen an benachbarten Stellen von 1T′-WS₂ würde die gesamte Adsorptionsenergie größer machen als getrennte Fälle. Das bedeutet, dass eine unregelmäßige Änderung der Adsorptionsenergie bewirkt wird, wenn H₂ Moleküle wurden sogar auf der gleichen Adsorptionsstelle zufällig angeordnet. Es gab jedoch keinen offensichtlichen Einfluss, wenn Wasserstoffmoleküle an den engsten Stellen verschiedener Seiten von 1T′-WS₂ . platziert wurden . Basierend auf diesen Ergebnissen werden Wasserstoffmoleküle nach den folgenden Prinzipien eingestellt:wenn H₂ Moleküle unter 8, Wasserstoffmoleküle sind an nicht benachbarten Adsorptionsstellen auf beiden Seiten von 1T′-WS₂ . angeordnet; wenn die Zahl 8 bis 16 beträgt, könnten benachbarte Standorte nicht vermieden werden. Benachbarte Adsorptionsstellen werden dennoch so weit wie möglich vermieden. Wenn die Wasserstoffmoleküle zwischen 17 und 32 liegen, befinden sich 16 von ihnen an der stabilsten Position (Platz 1v), und der Rest befindet sich vertikal über den W-Atomen (Platz 3v). Wenn die Wasserstoffmoleküle mehr als 32 betragen, wird dem Abstand zwischen diesen Wasserstoffmolekülen Priorität eingeräumt, um die Bildung von Wasserstoffmolekülgruppen zu vermeiden, wie in Abbildung S6 gezeigt. Und dann hängt die horizontale oder vertikale Anordnung von den Ergebnissen der Adsorptionsenergie des einzelnen Wasserstoffs ab. Daher, wenn H₂ zwischen 33 und 48 liegt, befinden sich die ersten 16 Moleküle an der Stelle 1v, die zweiten 16 Moleküle an der Stelle 3v und der Rest an der Stelle 4h. Wenn die Zahl über 48 liegt, befinden sich die ersten 16 Moleküle an der Stelle 1v, die zweiten 16 Moleküle an der Stelle 3v, die dritten 16 Moleküle an der Stelle 4h und der Rest an der Stelle 2h. Wir versuchen, Wasserstoffmoleküle gleichmäßig auf beiden Seiten dieser Struktur anzuordnen und sicherzustellen, dass der Abstand zwischen den einzelnen Wasserstoffmolekülen groß genug ist. Im Zustand der 2H-Phase, ähnlich den Fällen von 1T′-WS₂ , wenn Wasserstoffmoleküle unter 32 sind, wird jedes an der stabilsten Position, die oben diskutiert wurde (Stelle 3), gesetzt. Um die Auswirkungen der Inkonsistenz durch die Wechselwirkung zwischen Wasserstoffmolekülen zu vermeiden, wurden Wasserstoffmoleküle auf nicht benachbarte Stellen gesetzt, wenn die Menge kleiner als 16 ist. Wir sollten jedoch versuchen, benachbarte Stellen zu vermeiden, wenn die Menge zwischen 17 und 32 liegt zwischen 33 und 64, der Rest befindet sich in der Mitte des Sechsecks (Platz 4). Wir versuchen auch, alle Moleküle nach dem oben genannten Prinzip zu verteilen. Andererseits betrachten wir auch die Stabilität des Adsorptionssystems bei einer hohen Konzentration von H₂ Moleküle. Wenn ein Gasmolekül mehr als 16 ist, wurde die Stabilität des gesamten Systems auch durch Molekulardynamiksimulationen untersucht, die in Abbildung S7 dargestellt sind. Nach 500 Schritten der Moleküldynamiksimulation tritt kein Beulen der Geometrie auf, und auch die Gesamtenergie bleibt nahezu konstant, sodass das gesamte System eine hohe Stabilität aufweist.

Die Adsorptionsenergie an den Wasserstoffmolekülen wurde nach einer Geometrieoptimierung berechnet. Wie Abb. 3 zeigt, egal in welcher Phase von WS₂ , nimmt die Gesamtadsorptionsenergie nahezu linear zu, wenn die Zahl der Wasserstoffmoleküle zunimmt. Das heißt, wenn die Zahl der Wasserstoffmoleküle zunimmt, ändert sich die Wechselwirkung zwischen dem Material und den adsorbierten Molekülen nicht wesentlich. Der grüne Bereich in Fig. 3a stellt den Bereich der moderaten Wasserstoffadsorptionsenergie dar. Es kann festgestellt werden, dass 2H-WS₂ kommt aus diesem Bereich früher als die 1T′-Phase. Das heißt, wenn die Menge an adsorbiertem H₂ Moleküle werden überflüssig, mehr Wasserstoffmoleküle werden schwer aus 2H-WS₂ . freigesetzt als von 1T′-WS₂ , die eine kleinere Wasserstoffkapazität vorsieht. Dann liegt auch, wie Abb. 3 zeigt, die Anzahl der Wasserstoffmoleküle für die durchschnittlichen Adsorptionsenergien der adsorbierten Wasserstoffmoleküle im Bereich von − 0,2 bis − 0,6 eV unter 48 oder 55 bei der Situation der 2H- oder 1T′-Phase , bzw. Das bedeutet die theoretisch sinnvolle Adsorptionsmenge für Wasserstoff auf 2H-WS₂ kann bis zu 2,4 Gew.-% betragen, während er in der 1T′-Phase bis zu 2,7 Gew.-% betragen kann. Dies zeigt, dass eine Änderung der Phase die Wasserstoffspeicherleistung von WS₂ . verbessern könnte effektiv. Die durchschnittliche Adsorptionsenergie der beiden Arten von WS₂ sinkt und steigt dann an, wenn sie nicht mehr als 8 beträgt. Es ist leicht zu verstehen, dass die durchschnittliche Wechselwirkungskraft zwischen den Gasmolekülen und dem Material schwächer wird, wenn das Material mehr Gasmoleküle adsorbiert. Wenn die Anzahl der Wasserstoffmoleküle jedoch größer als 8 ist, ist der Grund für die zunehmende durchschnittliche Adsorptionsenergie noch unbekannt.

Diagramme von a Gesamtadsorptionsenergie und b durchschnittliche Adsorptionsenergie als Funktion der Anzahl der Wasserstoffmoleküle, die an 1T’- und 2H-WS₂ . absorbiert werden

Führen Sie die PDOS-Untersuchung erneut durch, wie in Abb. 4 gezeigt. Es kann festgestellt werden, dass mit zunehmender Anzahl von Wasserstoffmolekülen die Gesamt-PDOS der adsorbierten Wasserstoffmoleküle in beiden Phasen von WS₂ . dispergiert wird (insbesondere wenn die Anzahl der Wasserstoffmoleküle mehr als 16 beträgt). Und der PDOS-Bereich einzelner in diesen Systemen adsorbierter Wasserstoffmoleküle wird ebenfalls umfangreicher. Aber die PDOS für die W-Atome und S-Atome bleibt unverändert, was die Stabilität dieser beiden Materialien bei der Adsorption von Wasserstoffmolekülen darstellt. Die Ergebnisse zeigen auch, dass mit zunehmender Anzahl von Wasserstoffmolekülen der PDOS-Überlappungsbereich zwischen den Wasserstoffmolekülen und den beiden WS₂ Moleküle nimmt zu.

PDOS-Ergebnisse mehrerer H₂ Adsorptionssysteme für _a alle und _b einzelne Wasserstoffmoleküle auf 2H-WS₂ und 1T’-WS₂

Die Wechselwirkung zwischen Wasserstoffmolekülen und WS₂ wird stärker. Dies zeigt den Grund für den Anstieg der durchschnittlichen Adsorptionsenergie, wenn die Zahl der adsorbierten Wasserstoffmoleküle größer wird.

Um die Wechselwirkung zwischen Wasserstoffmolekülen und den Materialien weiter zu untersuchen, wurde auch die Elektronendichtedifferenz (EDD)-Studie durchgeführt. Wie in Abb. 5 (Grundrisse in Abbildung S5) gezeigt, ergibt sich die EDD, wenn 4, 16, 32 und 64 Wasserstoffmoleküle an 2H oder 1T′-WS₂ . adsorbiert sind wurden vorgestellt. Die orangefarbenen Bereiche stellen Bereiche mit positiven Werten dar, die eine Tendenz zur Elektronenaufnahme anzeigen. Während die blauen Bereiche negative Bereiche bedeuten, die eine Verarmung an Elektronen darstellen. Sowohl für 2H als auch für 1T′-WS₂ , traten die orangefarbenen Bereiche eher in der Nähe von S-Atomen auf, während die blauen Bereiche in der Nähe von H-Atomen lagen. Die Tendenz wird deutlicher, wenn 32 oder 64 Wasserstoffe adsorbiert wurden, wie Abb. 5c, d, g und h zeigen. Es konnte auch beobachtet werden, dass es orange und blaue Bereiche zwischen den Wasserstoffmolekülen gab, wenn mehr Wasserstoffmoleküle adsorbiert wurden, was auf eine Wechselwirkung zwischen dem adsorbierten H₂ . hinweist Moleküle existiert. Dies erhöht die Adsorptionskraft für jedes Wasserstoffmolekül auf dem Material und erhöht die durchschnittliche Adsorptionsenergie. Außerdem konnte nicht ignoriert werden, dass deutliche blaue Bereiche zu sehen waren, wenn mehr Wasserstoffmoleküle an 1T′-WS₂ . adsorbiert wurden (Abb. 5 g, h). In 2H-Fällen ist ein solches Phänomen jedoch nicht offensichtlich. Das zeigt, dass auch die W-Atome einen Prozess der Elektronenumverteilung durchlaufen haben. Und die W-Atome in 1T′-WS₂ tendierte dazu, mehr Elektronen anzubieten, um die Elektronenversorgung zu teilen, die hauptsächlich von den Wasserstoffmolekülen bereitgestellt wurde, als in 2H-WS₂ Fälle. Auf dieser Grundlage wurde die auf jedes Wasserstoffmolekül wirkende Kraft bis zu einem gewissen Grad abgeschwächt. Das könnte der Grund sein, warum die 1T′-WS₂ könnte mehr Wasserstoffmoleküle aufnehmen als das 2H-WS₂ unter der Garantie, dass die durchschnittliche Adsorptionskraft moderat ist.

Elektronische Differenzdichte von a 4H₂ auf 2H-WS₂ , b 16H₂ auf 2H-WS₂ , c 32H₂ auf 2H-WS₂ , d 64H₂ auf 2H-WS₂ , e 4H₂ auf 1T′-WS₂ , f 16H₂ auf 1T′-WS₂ , g 32H₂ auf 1T′-WS₂ , und h 64H₂ auf 1T′-WS₂ . Der Isoflächenwert wird als 0,002 e/Å angenommen

Schlussfolgerung

In diesem Artikel werden Wasserstoffadsorptionsmodelle der 2H-, 1T- und 1T′-Monoschicht WS₂ konstruiert wurden. Ihre Adsorptionskapazität für Wasserstoff wird durch Local Density Approximation (LDA) untersucht. Dann wurde durch Vergleich der Adsorptionsenergie bei der Adsorption mehrerer Wasserstoffmoleküle festgestellt, dass 1T′-WS₂ könnte mehr Wasserstoffmoleküle enthalten als 2H-WS₂ während die durchschnittliche Adsorptionsenergie im mittleren Bereich liegt (– 0,2 bis – 0,6 eV). Es kann ein angemessenes Wasserstoffadsorptionsverhältnis von bis zu 2,7 Gew.-% erreichen, mehr als das von 2H-WS₂ , was 2,4 wt% beträgt, was darauf hindeutet, dass der Einfluss der Phase für die Wasserstoffspeicherung offensichtlich ist, und 1T′ Phase WS₂ besitzt eine größere Wasserstoffkapazität als das 2H-Gegenstück. Unter Berücksichtigung aller in dieser Studie berechneten Ergebnisse, 1T′ Phase WS₂ ist ein geeignetes Material für Wasserstoffadsorptionsanwendungen. Es könnte eine theoretische Referenz für Studien zu hochintegrierten Wasserstoffspeichermaterialien sein.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

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