A tensão nas interfaces monocamada MoS₂ / hBN aumenta a atividade da reação de evolução do hidrogênio

Imagem esquemática de um método de transferência assistida por gotículas. Crédito:Wang Bin e outros

Recentemente, a equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Wang Bin do Centro Nacional de Nanociência e Tecnologia (NCNST) da Academia Chinesa de Ciências relatou que a tensão gerada em bolhas de materiais 2D poderia beneficiar a atividade catalítica da reação de evolução do hidrogênio (HER). O estudo foi publicado em Chem Catalysis .

O hidrogénio verde produzido pela divisão eletroquímica da água oferece o potencial para alcançar processos de produção neutros em carbono. Os catalisadores desempenham um papel crucial na facilitação do HER no ânodo, tornando-os um componente chave na transição para um futuro energético sustentável.

Dichalcogenetos de metais de transição (TMDs), particularmente MoS₂ , chamaram a atenção para a substituição de materiais à base de platina. Uma série de estratégias como defeito, doping, vaga e engenharia de interface foram implementadas para melhorar a atividade catalítica do MoS₂ plano basal para o HER.

No entanto, a influência de microestruturas fora do plano (como rugas ou ondulações, espirais ou dobras e bolhas) tem sido frequentemente negligenciada, o que comumente existe em materiais 2D devido à sua flexibilidade. Portanto, a correlação entre os sítios ativos e o desempenho testado dos catalisadores ainda é questionável, especialmente considerando o fácil aparecimento de morfologia curva em catalisadores práticos.

Neste estudo, a equipe do Prof. Wang, inspirada nas bolhas que foram fabricadas através da abordagem top-down, realizou a adaptação de bolhas com diferentes curvaturas "livres de substrato" nas interfaces entre a monocamada MoS₂ e hBN por um método de transferência assistida por gotículas.

Os cálculos de modelagem de elementos finitos (FEM) demonstraram um aumento gradual na distribuição de deformação, movendo-se da periferia da bolha em direção ao seu centro. Bolhas grandes podem atingir níveis de tensão de até 1,74%.

A teoria do funcional da densidade (DFT) mostrou que essas bolhas induzem a formação de deformação no MoS₂ , o que aumenta a adsorção de prótons e a cinética de HER. Consequentemente, houve um aumento substancial na atividade do HER, com valores atingindo 129,65 mA cm^-2 em comparação com 48,11 mA cm^-2 a -0,4 V vs. eletrodo de hidrogênio reversível (RHE).

"Nossa equipe descobriu um método inovador para fabricar bolhas, permitindo uma personalização precisa e fornecendo insights sobre a profunda influência das bolhas na distribuição de deformação. Resultados experimentais mostraram que o nível de deformação associado a bolhas maiores supera as deformações típicas induzidas por distorção de rede.

“Acreditamos que esta descoberta tem implicações importantes para a compreensão da intrincada relação entre estruturas fora do plano e as propriedades intrínsecas do material”, disse o Prof.

Além disso, estudos teóricos mostraram que a deformação que apareceu em tais estruturas fora do plano poderia ajustar a estrutura eletrônica e, assim, ajustar o desempenho de adsorção de prótons dos catalisadores, o que não apenas fornece um catalisador mais eficiente e estável para a produção de energia de hidrogênio, mas também pode impulsionar avanços tecnológicos em outras áreas relacionadas.

Mais informações: Junjie Xiong et al, Cepa derivada de bolhas em interfaces monocamada MoS2/hBN para atividade aprimorada de reação de evolução de hidrogênio, Chem Catalysis (2024). DOI:10.1016/j.checat.2024.100951. www.cell.com/chem-catalysis/ab… 2667-1093(24)00075-7
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