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【純計算】Surf. Interfaces:態密度、結合能、能帶、電荷轉移和最小能量路徑計算,探究MFe2O4電催化反應!

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成果簡介
在析氧和析氫反應中,貴金屬鉑(Pt)電催化劑的發展受到其高成本的限制。因此,開發一種低成本、高催化活性的替代材料尤為重要。近日,希瓦吉大學Chidanand M. Kanamadi等人研究了MFe2O4(M=Co、Ni和Cu)作為析氫反應(HER)和析氧反應(OER)的潛在電催化劑,并對其進行了理論研究。
計算方法
基于DMol3模塊,作者使用廣義梯度近似(GGA)中的Perdew、Burke和Ernzerhof(PBE)泛函來描述電子關聯相互作用,以及采用高斯雙ζ加偏振數值(DNP)基組來描述價電子,而對核心電子則用DFT半核心贗勢來描述。
在幾何馳豫和能量計算過程中,作者將能量、力和位移的收斂標準分別設置為10?5 Ha、0.002 Ha/?和0.005。此外,作者使用CASTEP模塊來計算差分電荷密度,并采用了超軟贗勢和400 eV的平面波截斷能。
圖文導讀
【純計算】Surf. Interfaces:態密度、結合能、能帶、電荷轉移和最小能量路徑計算,探究MFe2O4電催化反應!
圖1. 模型結構
MFe2O4的優化結構如圖1所示,其中Fe-O、Co-O、Cu-O和Ni-O鍵長值與實驗值之間存在良好的一致性。此外,作者對MFe2O4材料結構分析發現,Fe-O、Co-O、Cu-O和Ni-O的平均鍵長為1.42?。
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圖2. PDOS
圖2a、2b和2c顯示了MFe2O4中O-p、Co-d、Cu-d、Ni-d和Fe-d軌道的投影態密度(PDOS),并且MFe2O4的平均能隙為0.92eV。此外,M(M=Co、Cu和Ni)-d軌道以及Fe-d和O-p軌道分別占據價帶的頂部和導帶的底部。
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圖3. 能帶結構
如圖3所示,CoFe2O4的帶隙為0.81eV,而CuFe2O4的導帶和價帶位于K點,相應的直接帶隙為1.005 eV。此外,NiFe2O4也具有0.952 eV的直接帶隙,具體如圖3c所示。
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圖4. HER勢能面
HER包括兩步反應,第一步為Volmer反應,即水合質子轉變為吸附的氫原子。而第二步反應包括Heyrovsky和Tafel反應。相比于Tafel反應,Heyrovsky反應的能壘要低得多,因此HER過程的機理為Volmer-Heyrovsky機理。
如圖4所示,NiFe2O4上HER的能壘為0.046eV,這比CoFe2O4(0.68 eV)和CuFe2O4(0.73 eV)的能壘要低。

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圖5. OER勢能面
在最佳OER催化劑中(圖5a),兩個相鄰中間態的能壘為1.23eV,相應的過電勢為零。而對于CoFe2O4體系(圖5b),HOO*→O2是速率控制步驟,因為它具有2.21eV的高能壘。

而對于CuFe2O4系統,HO*和NiFe2O4之間的相互作用小于CuFe2O4,這導致第一步為速率控制步驟。此外,NiFe2O4體系中的速率控制步驟是第三步,并且其具有2.84eV的能壘,因此CoFe2O4具有最高的催化活性。

總結展望
該工作是基于密度泛函理論的模擬研究,旨在闡明MFe2O4對HER和OER的電催化活性。作者討論了HER和OER過程的性質,包括態密度、結合能、能帶結構、電荷轉移和最小能量路徑,并發現NiFe2O4的HER活性最高,相應的能壘為0.046eV,而CoFe2O4具有最高的OER活性。
文獻信息
Guruprasad A. Bhinge et.al Study on density functional theory of MFe2O4 (M=Co, Ni, Cu) for electrocatalytic hydrogen and oxygen evolution reaction Surfaces and Interfaces 2023
https://doi.org/10.1016/j.surfin.2023.103249
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計算內容涉及材料結構、電位、容量、電導率、離子擴散,過渡態+AIMD、吸附、HOMO/LUMO、離子溶劑化配位結構、固態電解質鋰離子通道、催化活性能、反應路徑計算、OER、HER、ORR、自由能等。
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