Блог

Jul 19, 2023

Колоссальная добротность и убедительная ЕЕ каталитическая активность дырчатого графина

Научные отчеты, том 13,

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 9123 (2023) Цитировать эту статью

72 доступа

Подробности о метриках

В настоящей работе мы провели комплексное исследование с целью выявления термотранспортных свойств и каталитической активности реакции выделения водорода недавно синтезированного дырочного графина. Наши результаты показывают, что дырочный графин имеет прямую запрещенную зону 1,00 эВ, используя обменно-корреляционный функционал HSE06. Отсутствие мнимых фононных частот в фононной дисперсии обеспечивает ее динамическую устойчивость. Энергия образования дырочного графина оказывается - 8,46 эВ/атом, что сравнимо с графеном (- 9,22 эВ/атом) и h-BN (- 8,80 эВ/атом). При 300 К коэффициент Зеебека достигает 700 мкВ/К при концентрации носителей 1 · 1010 см-2. Прогнозируемая решеточная теплопроводность (κl) при комнатной температуре, равная 29,3 Вт/мК, существенно ниже, чем у графена (3000 Вт/мК), и в четыре раза меньше, чем у C3N (128 Вт/мК). При толщине около 335 нм комнатная температура κl подавляет на 25%. Рассчитанная добротность p-типа (ZT) достигает максимума 1,50 при 300 К, что выше, чем у дырчатого графена (ZT = 1,13), γ-графена (ZT = 0,48) и чистого графена (ZT = 0,55 × 10). –3). Далее он масштабируется до 3,36 при 600 К. Такие колоссальные значения ZT делают дырчатый графен привлекательным термоэлектрическим материалом p-типа. Кроме того, дырочный графин является потенциальным катализатором ГЭР с низким перенапряжением 0,20 эВ, которое в дальнейшем снижается до 0,03 эВ при деформации сжатия 2%.

Быстро растущее население и развитие инфраструктуры являются причиной растущего спроса на энергию, который еще больше увеличится с 23 тераватт в 2030 году до 30 тераватт в 2050 году. энергетические ресурсы и возобновляемые источники энергии добавляют лишь оставшиеся 20%2. Чрезмерная зависимость от ископаемого топлива вызывает глобальное потепление и разрушительные экологические проблемы3. Во всем мире наблюдается стремление найти устойчивые и чистые альтернативы ископаемому топливу для решения таких проблем4. Среди природных возобновляемых источников энергии водород является идеальным устойчивым источником энергии благодаря своей высокой плотности энергии и безвредности для окружающей среды5. Однако для производства водорода6 используются драгоценные и менее распространенные катализаторы на основе металлов, что препятствует их широкому использованию7. Таким образом, изучение новых катализаторов, не содержащих металлов, является жизнеспособным путем массового производства водорода8,9. Термоэлектрические генераторы также являются отличной альтернативой чистым и возобновляемым источникам энергии, учитывая обилие отходящего тепла, сопровождающееся нечастым обслуживанием и длительным сроком службы устройства, поскольку в технологии не используются движущиеся части10,11. Хотя Bi2Te3 широко используется в термоэлектрических генераторах, токсичность и дефицит теллура ограничивают их использование12. Кроме того, биполярная проводимость подавляет добротность Bi2Te3 выше 450 К из-за узкой запрещенной зоны12. Следовательно, оптимальным выбором будут многочисленные и нетоксичные материалы с разумной шириной запрещенной зоны.

С момента экспериментальной реализации графена13 огромное внимание было уделено другим двумерным (2D) аллотропам углерода из-за их своеобразных физических свойств14, топологических состояний15, безмассовых конусов Дирака16,17 и полупроводникового поведения18,19. Пористый азотированный дырчатый графен20, полианилин21, фаграфен22, нафин23, графтетраин24 и бифенилен25 — вот несколько примеров экспериментально синтезированных двумерных аллотропов углерода.

Среди них графен с различными гибридизованными атомами углерода sp и sp2 представляет собой одно из крупнейших семейств аллотропов графена26. Они обладают исключительной гибкостью, высокой подвижностью носителей, электронной зонной структурой, характеризующейся конусом Дирака, эффективной адсорбцией ионов и молекулярной селективностью благодаря пористой структуре, а также пониженной теплопроводностью за счет ацетиленовых связей с sp-состоянием27,28,29,30,31,32 . Недавно метод «снизу вверх» был использован для синтеза ультратонкого двумерного аллотропа углерода, названного дырявым графином33. Нанолист демонстрирует превосходную механическую, термическую и динамическую стабильность. В отличие от графена, он представляет собой прямозонный полупроводник с высокой подвижностью носителей (перспективный для применения в оптоэлектронике) и обладает sp- и sp2-гибридизированными атомами углерода, равномерно распределяющими пористую архитектуру (благоприятную для разделения газов, опреснения воды, хранения энергии и катализа)34. Дырчатый графин также можно рассматривать как закрепляющий материал в металлосерных батареях, как и другие материалы с аналогичной кристаллической структурой, ранее исследованные с этой целью35,36. Однако, насколько нам известно, ни одно из этих применений дырявого графена до сих пор не обнаружено. Здесь мы провели комплексное исследование, чтобы изучить его потенциал в области термоэлектричества и производства H2. Ожидается, что из-за наличия уникальных четких связей κl будет ниже в дырчатом графине по сравнению с другими плоскими 2D-материалами семейства графена, что приведет к повышению термоэлектрической эффективности. С другой стороны, изменение плотности заряда связи, сопровождающееся наличием высокопористой плоскости, которая увеличивает количество реакционноспособных центров, делает его отличным выбором для катализа.