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Jul 19, 2023

Kolossale Leistungszahl und überzeugende IHRE katalytische Aktivität von löchrigem Graphin

Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 9123 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Hier haben wir eine umfassende Studie durchgeführt, um die thermischen Transporteigenschaften und die katalytische Aktivität der Wasserstoffentwicklungsreaktion des kürzlich synthetisierten löchrigen Graphins aufzudecken. Unsere Ergebnisse zeigen, dass löchriges Graphin unter Verwendung der HSE06-Austausch-Korrelationsfunktion eine direkte Bandlücke von 1,00 eV aufweist. Das Fehlen imaginärer Phononenfrequenzen in der Phononendispersion gewährleistet deren dynamische Stabilität. Die Bildungsenergie von löchrigem Graphin beträgt −8,46 eV/Atom, vergleichbar mit der von Graphen (−9,22 eV/Atom) und h-BN (−8,80 eV/Atom). Bei 300 K beträgt der Seebeck-Koeffizient bis zu 700 μV/K bei einer Trägerkonzentration von 1 × 1010 cm-2. Die vorhergesagte Gitterwärmeleitfähigkeit (κl) bei Raumtemperatur von 29,3 W/mK ist wesentlich niedriger als die von Graphen (3000 W/mK) und viermal kleiner als die von C3N (128 W/mK). Bei einer Dicke von etwa 335 nm sinkt der Raumtemperatur-κl um 25 %. Der berechnete p-Typ-Gütefaktor (ZT) erreicht bei 300 K ein Maximum von 1,50 und ist damit höher als der von löchrigem Graphen (ZT = 1,13), γ-Graphen (ZT = 0,48) und makellosem Graphen (ZT = 0,55 × 10). -3). Bei 600 K steigt der Wert weiter auf 3,36. Solch kolossale ZT-Werte machen Holey Graphyne zu einem attraktiven thermoelektrischen Material vom p-Typ. Darüber hinaus ist Holey Graphyne ein potenzieller HER-Katalysator mit einem niedrigen Überpotential von 0,20 eV, das sich bei 2 % Druckspannung weiter auf 0,03 eV reduziert.

Die schnell wachsende Bevölkerung und die Entwicklung der Infrastruktur sind der Grund für den steigenden Energiebedarf, der von 23 Terawatt im Jahr 2030 auf 30 Terawatt im Jahr 2050 weiter ansteigen wird1. Laut Statistiken der Global Renewable Energy Community (REN21) basieren fast 80 % der gesamten Energie auf konventioneller Energie Energieressourcen und erneuerbare Energiequellen machen lediglich 20 %2 aus. Eine übermäßige Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen führt zur globalen Erwärmung und zu zerstörerischen Umweltproblemen3. Um solchen Problemen entgegenzuwirken, gibt es weltweit Bestrebungen, nachhaltige und saubere Alternativen zu fossilen Brennstoffen zu finden4. Unter den natürlichen erneuerbaren Energiequellen ist Wasserstoff aufgrund seiner hohen Energiedichte und Umweltverträglichkeit eine ideale nachhaltige Energiequelle5. Allerdings wurden für die Wasserstoffproduktion wertvolle und weniger häufig vorkommende Katalysatoren auf Metallbasis verwendet6, was ihre weitverbreitete Nutzung erschwert7. Daher ist die Erforschung neuartiger und metallfreier Katalysatoren ein gangbarer Weg für die Massenproduktion von Wasserstoff8,9. Thermoelektrische Generatoren sind auch hervorragende Alternativen für saubere und erneuerbare Energiequellen, wenn man bedenkt, dass viel Abwärme entsteht, die Wartung seltener ist und die Gerätelebensdauer lange ist, da an der Technologie keine beweglichen Teile beteiligt sind10,11. Obwohl Bi2Te3 in thermoelektrischen Generatoren weit verbreitet ist, schränken die Toxizität und die Knappheit von Tellur ihre Verwendung ein12. Darüber hinaus unterdrückt die bipolare Leitung den Gütefaktor von Bi2Te3 über 450 K aufgrund seiner schmalen Bandlücke12. Daher wären reichlich vorhandene und ungiftige Materialien mit angemessener Bandlücke eine optimale Wahl.

Seit der experimentellen Realisierung von Graphen13 wurde anderen zweidimensionalen (2D) Kohlenstoffallotropen aufgrund ihrer besonderen physikalischen Eigenschaften14, topologischen Zustände15, masselosen Dirac-Kegel16,17 und halbleitenden Verhalten18,19 enorme Aufmerksamkeit gewidmet. Poröses stickstoffhaltiges löchriges Graphen20, Polyanilin21, Phagraphen22, Naphyn23, Graphtetrain24 und Biphenylen25 sind einige Beispiele für experimentell synthetisierte 2D-Kohlenstoffallotrope.

Unter diesen bildet Graphin mit unterschiedlichen sp- und sp2-hybridisierten Kohlenstoffatomen eine der größten Familien von Graphen-Allotropen26. Sie verfügen über außergewöhnliche Flexibilität, hohe Trägermobilität, eine durch Dirac-Kegel charakterisierte elektronische Bandstruktur, effiziente Adsorption von Ionen und molekulare Selektivität aufgrund poröser Strukturen sowie verringerte Wärmeleitfähigkeit aufgrund von Acetylenbindungen mit dem sp-Zustand27,28,29,30,31,32 . Kürzlich wurde die Bottom-up-Technik zur Synthese eines ultradünnen 2D-Kohlenstoff-Allotrops namens Holey Graphyne33 eingesetzt. Das Nanoblatt weist eine ausgezeichnete mechanische, thermische und dynamische Stabilität auf. Im Gegensatz zu Graphen ist es ein Halbleiter mit direkter Bandlücke und hoher Trägermobilität (vielversprechend für Anwendungen in der Optoelektronik) und besitzt sp- und sp2-hybridisierte Kohlenstoffatome, die die porösen Architekturen gleichmäßig verteilen (günstig für Gastrennung, Wasserentsalzung, Energiespeicherung und Katalyse)34. Lochförmiges Graphin kann ebenso wie andere Materialien mit ähnlichen Kristallstrukturen, die zuvor für diesen Zweck erforscht wurden, auch als Ankermaterial in Metall-Schwefel-Batterien angesehen werden35,36. Nach unserem besten Wissen wurde jedoch bisher keine dieser Anwendungen von Holey Graphyne entdeckt. Hier haben wir eine umfassende Studie durchgeführt, um sein Potenzial in der Thermoelektrizität und H2-Produktion zu untersuchen. Durch das Vorhandensein einer einzigartigen, ausgeprägten Bindung wird erwartet, dass κl in löchrigem Graphin im Vergleich zu den anderen flachen 2D-Materialien aus der Graphenfamilie niedriger ist, was zu einem verbesserten thermoelektrischen Gütefaktor führt. Andererseits macht die Variation der Bindungsladungsdichte in Verbindung mit einer hochporösen Ebene, die die Anzahl der reaktiven Stellen erhöht, es zu einer ausgezeichneten Wahl für die Katalyse.

Das Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP)37,38 wird verwendet, um die Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) unter Verwendung der hybriden Austausch-Korrelationsfunktionale Perdew − Burke − Ernzerhof und Heyd − Scuseria − Ernzerhof (HSE06)39,40 durchzuführen. Eine ebene Wellengrenzenergie von 550 eV und ein Γ-zentriertes k-Netz von 9 × 9 × 1 (30 × 30 × 1) werden verwendet, um die erste Brillouin-Zone für selbstkonsistente (nicht selbstkonsistente) Berechnungen abzutasten. Der Kristall wird optimiert, bis die Hellmann-Feynman-Kräfte unter 10–4 eV/Å fallen. Es wird ein Vakuum von 15 Å senkrecht zur Folie angelegt, um die Wechselwirkungen zwischen benachbarten Schichten zu eliminieren. Die Strukturbildungsenergie wird mit Eform berechnet. = (Etot. − n.EC)/n Formel, wobei Etot. und EC sind die Gesamtenergien von löchrigem Graphin bzw. einem isolierten C-Atom, und n ist die Gesamtzahl der Atome in einer Elementarzelle. Die Phononendispersion, die Wärmetransportkoeffizienten und die Gitterwärmeleitfähigkeit werden mit den Codes Hiphive41, BoltzTraP242 bzw. ShengBTE43 berechnet. Mit dieser hochentwickelten Methode wurden die Transporteigenschaften zahlreicher Materialien analysiert44,45,46. Als Eingaben für ShengBTE werden die Kraftkonstanten 2. und 3. Ordnung unter Verwendung einer 3 × 3 × 1-Superzelle berechnet. Die Kraftkonstanten 3. Ordnung werden berechnet, indem Atome bis zum zehntnächsten Nachbarn verschoben werden. Ein dichtes Q-Netz 30 × 30 × 1 wird verwendet, um eine gut konvergierte Gitterwärmeleitfähigkeit zu erhalten. Die erzeugte Wärmeleitfähigkeit des Gitters ist gut konvergiert, da der Wert bei 300 K um weniger als 4 % bzw. 1 % von dem Ergebnis abweicht, das mit der Verschiebung von Atomen bis zu den neuntnächsten Nachbarn bzw. 20 × 20 × 1 q-mesh erhalten wird. Die Änderung der Gibbs-freien Energieänderung (ΔGH) wird anhand der Beziehung ΔGH = ΔEH + ΔEZPE − TΔS berechnet, wobei ΔEH, ΔEzpe, T und ΔS für die Wasserstoffadsorptionsenergie, die Änderung der Nullpunktsenergie und die Temperatur stehen ( 298,15 K) bzw. Änderung der Entropie47. Der Wert von ΔEZPE – TΔS beträgt 0,24 eV, woraus sich ΔGH = ΔEH + 0,2447 ergibt. Die Adsorptionsenergie von Wasserstoff wird als ΔEH = Etotal − Epristine − 1/2EH2 erhalten, wobei Etotal, Epristine und EH2 die Gesamtenergien von löchrigem Graphin mit adsorbiertem H-Atom, reinem löchrigem Graphin und einem einzelnen H2-Molekül in der Gasphase sind , jeweils.

Holey Graphyne enthält zwei Ringe aus sechs und acht Kohlenstoffatomen mit einer großen Pore, wie in Abb. 1 dargestellt. Jede primitive Zelle hat eine optimierte Gitterkonstante in der Ebene von 10,84 Å, in Übereinstimmung mit der vorherigen Studie33. Die C-C-Bindungen haben unterschiedliche Bindungslängen von 1,23 Å (d1; sp-hybridisierte Dreifachbindung), 1,41 Å (d2; sp-hybridisierte Einfachbindung), 1,40 Å (d3; sp2-hybridisierte Doppelbindung) und 1,46 Å (d4; sp2). hybridisierte Einfachbindung), wie in Abb. 1b dargestellt. Die Bildungsenergie von löchrigem Graphin beträgt −8,46 eV/Atom, vergleichbar mit der von Graphen- (−9,22 eV/Atom) und h-BN-Monoschichten (−8,80 eV/Atom)48. Es ist erwähnenswert, dass löchriges Graphin experimentell mithilfe des Bottom-up-Ansatzes synthetisiert wurde33. Darüber hinaus haben ab-initio-Molekulardynamiksimulationen ergeben, dass löchriges Graphin auch bei höheren Temperaturen von 900 K thermisch stabil ist.33 Abb. 2 zeigt die berechneten direkten Bandlücken von 0,50 eV (PBE) und 1,0 eV (HSE06), was mit übereinstimmt der zuvor berechnete Wert und liegt auch nahe am experimentellen Wert von 1,10 eV.33.

Die Seitenansicht (a) und die Draufsicht (b) der optimierten Kristallstruktur der löchrigen Graphyn-Elementarzelle. di (i = 1–4) stellt die Bindungslänge dar. Gestrichelte Linien umschließen die Elementarzelle.

Berechnete elektronische Bandstrukturen von löchrigem Graphin. Die orangefarbenen und roten Kurven entsprechen Valenz- bzw. Leitungsbändern. Die blaue gestrichelte Linie stellt das Fermi-Niveau dar.

Die berechnete Phononendispersion von Holey Graphyne weist insgesamt 72 Phononenmoden ohne imaginäre Frequenzen auf, was ihre dynamische Stabilität gewährleistet (siehe Abb. 3). Die außerhalb der Ebene liegenden flexiblen akustischen (ZA) Phononen haben die niedrigste Frequenz unter den akustischen Moden, gefolgt von den in der Ebene liegenden transversalen akustischen (TA) und longitudinalen akustischen (LA) Phononenmoden. Der erste optische Phononenmodus hat eine bemerkenswert kleine Frequenz von 2,55 THz, was aufgrund der Kopplung zwischen ZA und den niedrigsten optischen Phononen eine hohe Phonon-Phonon-Streuung begünstigt, was eine hohe Phonon-Phonon-Streuung begünstigt 49, 50. Außerdem führt die geringere Streuung optischer Phononen zu kleinen Phononengruppengeschwindigkeiten. Diese unterschiedlichen Eigenschaften tragen zusammen zu einem niedrigen κl im Vergleich zu anderen Kohlenstoffallotropen bei.

Berechnete Phononendispersion von löchrigem Graphin.

Abbildung 4 zeigt die elektronischen Transportkoeffizienten in Bezug auf variierende Trägerkonzentrationen und Temperaturen. Der elektronische Anteil der elektrischen (σ/τ) und thermischen (κe/τ) Leitfähigkeit nimmt zu und der Seebeck-Koeffizient (S) nimmt linear mit der Ladungsträgerkonzentration ab51. Die Raumtemperatur |S| (300 µV/K bei 1 × 1012 cm−2) ist ungefähr sechsmal größer als die von Graphen (~ 50 µV/K) bei derselben Trägerkonzentration52. Der p-Typ (n-Typ) |S| ergibt sich selbst bei der höchsten betrachteten Trägerkonzentration (2 × 1013 cm−2) und bei 600 K bei 114 µV/K (110 µV/K). Der p-Typ S2σ/τ steigt mit zunehmender Trägerkonzentration an, bis er sich 5 nähert × 1011 W/mK2s (9 × 1011 W/mK2s) bei 300 K (600 K) und sinkt dann mit steigender Dotierungskonzentration. Solch ein bemerkenswert hohes S und S2σ/τ legen nahe, dass es sich lohnt, löchriges Graphin für die Thermoelektrizität zu untersuchen. Es ist weiterhin bemerkenswert, dass identische Streuungen der Valenzbandmaxima und der Leitungsbandminima zu ähnlichen Varianzen der elektronischen Transportkoeffizienten vom p-Typ und n-Typ führen.

Berechnete elektronische Transportkoeffizienten vom p- und n-Typ als Funktion der Trägerkonzentration (ρ) bei 300 K und 600 K.

Darüber hinaus haben wir untersucht, wie sich Gitterschwingungen auf die Wärmeleitung in löchrigem Graphin auswirken (siehe Abb. 5a). Die berechnete Raumtemperatur κl beträgt 29,3 W/mK und liegt damit niedriger als bei Graphen (3000 W/mK)53, γ-Graphen (76,4 W/mK)54, C3N (128 W/mK)53 und C2N (82,22 W). /mK)55. Der berechnete κl bei 300 K weicht um 0,01 % von den Ergebnissen ab, die unter Verwendung von 20 × 20 × 1 q-mesh (dh 29,4 W/mK) erhalten wurden, was keinen relevanten Einfluss auf unsere Schlussfolgerung hat. Die Verschiebung der Atome zu den neuntnächsten Nachbarn ergibt einen κl von 28,05 W/mK, was um 4 % von dem Wert abweicht, der durch die Verschiebung der Atome bis zu den zehntnächsten Nachbarn erhalten wird. Der aus thermoelektrischer Sicht attraktive ultraniedrige κl-Wert von löchrigem Graphin wird darauf zurückgeführt, dass seine Bindungen weniger steif sind als die der oben genannten flachen Materialien. Die CC-Bindungssteifigkeit wird durch die Federkonstante (K) von Holey Graphyne bestimmt, die als Spur des harmonischen Kraftkonstantentensors zwischen den am nächsten benachbarten Atomen berechnet wird. Es wird geschrieben als \(K={\Phi }_{CC}^{xx}+ {\Phi }_{CC}^{yy}+{\Phi }_{CC}^{zz}\), wobei \({\Phi }_{MX}^{\alpha \alpha }\) ist die zweite Ableitung der Energie in Bezug auf die Verschiebung von Atomen entlang der kartesischen Achse α. Die Bindungssteifigkeit von d1, d2, d3 und d4 beträgt 87 eV/Å2, 36 eV/Å2, 44 eV/Å2 und 31 eV/Å2 und ist damit wesentlich kleiner als die von Graphen (10.105 eV/Å2). Ein solches Bindungsmerkmal hemmt die Wärmeübertragung über Gitterschwingungen, was zu niedrigen κl-Werten führt. Abbildung 5a zeigt, dass κl mit zunehmender Temperatur aufgrund der ausgeprägten Phonon-Phonon-Streuung abnimmt und der Beziehung κl ∝ 1/T folgt.

(a) Berechnetes und angepasstes (κl ∝ 1/T) κl als Funktion der Temperatur, (b) kumulative Gitterwärmeleitfähigkeit (κcl) als Funktion der mittleren freien Weglänge (MFP) der Phononen, (c) Phononenstreuraten und (d) Phononengruppengeschwindigkeiten bei 300 K als Funktion der Phononenfrequenz. Die schwarzen Pfeile in (c und d) repräsentieren die Frequenz 2,55 THz des ersten optischen Phononenmodus am Γ-Punkt.

Die Nanostrukturierung von Materialien, bei denen Materialien aus Körnern in Nanometergröße und darüber hinaus mit inneren Strukturen im Nanomaßstab bestehen,56 kann κl reduzieren, ohne σ zu beeinflussen. Um den Umfang der Phononentechnik besser zu verstehen, wird die kumulative Gitterwärmeleitfähigkeit (κcl) als Funktion der mittleren freien Weglänge (MFP) des Phonons untersucht und in Abb. 5b dargestellt. Wenn der MFP abnimmt, nimmt die Streuung der Phononen zu und verringert die Wärmeübertragung. Der Beitrag von Phononen mit unterschiedlichen MFPs zur Wärmeleitfähigkeit des Gitters wird durch Berechnung von κcl untersucht und daraus die Phononen abgeleitet, die für die Wärmeleitung am relevantesten sind43. Bei 300 K (600 K) stammen 75 % von κl von Phononen mit einem MFP von 335 nm (110 nm), was impliziert, dass die Reduzierung von κl durch Nanostrukturierung eine praktikable Strategie für löchriges Graphin ist. Mit anderen Worten: Eine Probengröße von 335 nm (110 nm) könnte dazu beitragen, den vererbten Wert von κl bei 300 K (600 K) um ein Viertel zu reduzieren. κcl nimmt mit steigendem MFP (Temperatur) zu (ab) und zeigt ein Plateau über 20.092 nm (7924 nm) bei 300 K (600 K). Ein niedrigeres Plateau bei 600 K ist auf die stärkere Phononenstreuung bei erhöhten Temperaturen zurückzuführen10. Da Phononentransporte überwiegend von Phononenstreuraten und Phononengruppengeschwindigkeiten abhängen, sind unsere berechneten Ergebnisse für akustische und optische Phononenmoden in Abb. 5c, d dargestellt. Die höchste Streurate für akustische Phononen bei Raumtemperatur beträgt 2,74 ps−1 und ist damit vergleichsweise höher als bei der C3N-Monoschicht (2 ps−1)53. Dies ist auf die Kopplung von akustischen und optischen Phononenmoden zurückzuführen, die zu erhöhten Streuraten akustischer Phononen führt, was zu einer erheblichen Verringerung von κl50 führt. Die Phononengruppengeschwindigkeiten werden berechnet, um die obige Analyse zu validieren, und in Abb. 5d dargestellt. Die höchste Phononengruppengeschwindigkeit des akustischen Phononenmodus bei Raumtemperatur beträgt 13,9 km/s und ist damit viel niedriger als die von Graphen (~ 22 km/s)57 und stickstoffhaltigem löchrigem Graphen (18,48 km/s)58. Eine solch niedrige Gruppengeschwindigkeit ist eine Folge flacher Phononenmoden (siehe Abb. 3)50. Daher entsteht ein kleinerer κl von löchrigem Graphin durch niedrige Phononengruppengeschwindigkeit und hohe Streuraten.

Der Gütefaktor (ZT) hängt von der Relaxationszeit (τ) ab und ist entscheidend für die Darstellung des Potenzials eines Materials für seine thermoelektrischen Anwendungen. In dieser Arbeit haben wir den Wert für τ aus der in der vorherigen Studie verwendeten Deformationspotentialtheorie angepasst33. Die Beziehung τT = 300*τ300/T ergibt ihren Wert bei 600 K. Die Werte von τ für Löcher (Elektronen) betragen 3,27 ps (1,16 ps) und 1,64 ps (0,58 ps) bei 300 K und 600 K K bzw. Der berechnete ZT in Abb. 6 folgt einem Aufwärtstrend ähnlich wie S2σ/τ. Der ZT vom p-Typ ist höher als der vom n-Typ und widerspricht dem Trend der elektronischen Transportkoeffizienten (siehe Abb. 4). Dies liegt daran, dass Löcher und Elektronen unterschiedliche Relaxationszeiten haben. Die Beziehung ZT = S2T/(κe/σ + κl/σ), wobei κl/σ durch τ beeinflusst wird, erklärt, dass größere τ-Werte zu einem größeren ZT führen. Der ZT sichert Spitzenwerte von 3,36 (1,50) und 1,82 (0,71) bei 600 K (300 K) für p-Typ- bzw. n-Typ-Dotierungen. In der vorherigen Studie33 ergaben Ab-initio-Molekulardynamiksimulationen, dass löchriges Graphin auch bei höheren Temperaturen von 900 K thermisch stabil ist, wie auf der Grundlage der Ab-initio-Molekulardynamiksimulationen nachgewiesen wurde. Die p-Typ-ZT von löchrigem Graphin bei Raumtemperatur ist höher als die von löchrigem Graphen (1,13)59 und deutlich höher als die von reinem Graphen (0,55 × 10–3)60 und γ-Graphen (0,48)54.

Berechneter Gütefaktor (ZT) von Holey Graphyne.

Da aktive und kostengünstige metallfreie Katalysatoren im Gegensatz zu teuren Pt-basierten Katalysatoren für HER erforderlich sind, um nachhaltige Energiesysteme zu erreichen. Wir haben auch die Reaktion von Holey Graphyne auf HER entdeckt. Als Standarddeskriptor für die HER-Aktivität dient die freie Gibbs-Energie (ΔGH), die aus der Wasserstoffadsorptionsenergie abgeleitet wird. Im ersten Fall wird das H-Atom an allen möglichen 9 Adsorptionsstellen (s1–s9 in Abb. 7a) adsorbiert. Das H-Atom findet die s2-Stelle am günstigsten. Der entsprechende ΔGH der s2-Stelle beträgt 0,20 eV, was viel kleiner ist als der von Graphen (1,41 eV)61, Phosphoren (1,25 eV)62 und C3N4 (0,58 eV)63 und vergleichbar mit Biphenylen (0,29 eV)61, siehe Abb . 7b. Tatsächlich ist ΔGH = 0 ein optimaler Wert für HER. Ein Wert von |ΔGH|< 0,2 eV bedeutet jedoch die bessere katalytische Leistung von Materialien für die HER-Aktivität64. Wir haben außerdem Strain Engineering eingesetzt, um dessen Einfluss auf ΔGH zu bewerten. Es wurde beobachtet, dass eine Druckspannung von 2 % die katalytische Leistung von löchrigem Graphin verbessert, indem ΔGH auf 0,03 eV reduziert wird. Darüber hinaus stellt die Ab-initio-Molekulardynamiksimulation die thermische Stabilität von wasserstoffadsorbiertem löchrigem Graphin hinsichtlich der niedrigen Energieschwankungen neben dem intakten H und der Blattstruktur nach einer Zeit von 8 ps sicher (siehe Abb. 7c). Um die photokatalytische Leistung von löchrigem Graphin zu untersuchen, werden die Positionen der Valenzbandmaxima (VBM) und Leitungsbandminima (CBM) relativ zum Vakuumniveau zusammen mit den H+/H2-Reduktions- und (O2/H2O)-Oxidationspotentialen für die Wasserspaltung dargestellt Abb. 7d. Es ist offensichtlich, dass CBM positiver ist als das H+/H2-Potenzial, was darauf hindeutet, dass löchriges Graphin ein potenzielles Material für die photokatalytische Wasserstoffproduktion ist. Im Gegensatz dazu ist das VBM höher als das O2/H2O-Oxidationspotential; Daher ist das löchrige Graphen nicht für die Oxidation von H2O zu O2 geeignet. Eine geeignete Bandtechnik zur Verschiebung des VBM nach unten (z. B. Dotierung, Anlegen einer externen Vorspannung, Heteroübergang usw.) kann jedoch die Aufspaltung des Wassers in H2 und O2 ermöglichen.

(a) Die Elementarzelle von löchrigem Graphin mit den möglichen Adsorptionsstellen (s1–s9) von Wasserstoff. (b) Berechnete freie Gibbs-Energie (ΔGH) der Wasserstoffadsorption an löchrigem Graphin. Die entsprechenden Werte für Graphen [Ref. 61], C3N4 [Ref. 63] und Biphenylen [Ref. 61] sind zum Vergleich ebenfalls enthalten. (c) Die Fluktuation der Gesamtenergie während Ab-initio-Molekulardynamiksimulationen bei 300 K neben den anfänglichen und endgültigen wasserstoffadsorbierten löchrigen Graphenstrukturen. Die braunen und grünen Kugeln repräsentieren C- bzw. H-Atome. (d) Berechnete Bandkantenpositionen von unberührtem und gespanntem (2 % Druckspannung) löchrigem Graphen relativ zum Vakuumniveau.

Mithilfe der Ab-initio-Berechnungen untersuchten wir die thermischen Transporteigenschaften und die katalytische HER-Aktivität von Holey Graphyne, einem halbleitenden Material mit einer direkten Bandlücke von 1,0 eV. Die dicht gepackten Phononen weisen in der gesamten Brillouin-Zone positive Frequenzen auf und gewährleisten so die dynamische Stabilität von Holey Graphyne. Die Raumtemperatur |S| beträgt bis zu 300 μV/K bei 1 × 1012 cm−2 (fast sechsmal so hoch wie Graphen). Biegeakustische Phononen koppeln mit dem niedrigsten optischen Phononenmodus, um die Phonon-Phonon-Streuung zu verstärken und schließlich κl zu verringern. Der geschätzte Raumtemperatur-κl von 29,3 W/mK ist im Vergleich zu dem von Graphen (3000 W/mK) extrem niedrig, was auf seine geringe Bindungssteifigkeit zurückzuführen ist. Mit Hilfe der Nanostrukturtechnik verringert sich κl bei einer Kristallgröße von etwa 335 nm (110 nm) bei 300 K (600 K) weiter um den Faktor vier. Der p-Typ-ZT bei Raumtemperatur erreicht einen Maximalwert von 1,50, der deutlich höher ist als der von Graphen (0,55 × 10–3), was seine überlegene thermoelektrische Leistung demonstriert. Schließlich ist auch löchriges Graphin mit niedrigem Überpotential und positiverem CBM als das H+/H2-Potenzial in der Lage, HER zu katalysieren.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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NS dankt der Khalifa University of Science and Technology für die finanzielle Unterstützung im Rahmen des Emerging Science & Innovation Grant ESIG-2023-004. Die Autoren würdigen auch den Beitrag der Hochleistungsrechner- und Forschungsrecheneinrichtungen der Khalifa University zu den Ergebnissen dieser Forschung.

Diese Autoren trugen gleichermaßen bei: Muhammad Sajjad und Surabhi Suresh Nair.

Fachbereich Physik, Khalifa University of Science and Technology, 127788, Abu Dhabi, Vereinigte Arabische Emirate

Muhammad Sajjad, Surabhi Suresh Nair und Nirpendra Singh

Abteilung für Luft- und Raumfahrttechnik, Khalifa University of Science and Technology, 127788, Abu Dhabi, Vereinigte Arabische Emirate

Yarjan Abdul Samad

Cambridge Graphene Centre, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Cambridge, Cambridge, Großbritannien

Yarjan Abdul Samad

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MS und SSN führten die Berechnungen durch und verfassten den Originalentwurf. YAS hat das Manuskript überprüft und bearbeitet. NS entwickelte die Idee, überwachte das Projekt und überprüfte schließlich das Manuskript.

Korrespondenz mit Nirpendra Singh.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Sajjad, M., Nair, SS, Samad, YA et al. Kolossale Leistungszahl und überzeugende IHRE katalytische Aktivität von löchrigem Graphin. Sci Rep 13, 9123 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35016-8

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Eingegangen: 14. März 2023

Angenommen: 11. Mai 2023

Veröffentlicht: 05. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35016-8

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