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Jul 19, 2023

Figura colosal de mérito y convincente actividad catalítica de HER del grafeno perforado

Informes científicos volumen 13,

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 9123 (2023) Citar este artículo

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En este documento, hemos realizado un estudio exhaustivo para descubrir las propiedades de transporte térmico y la actividad catalítica de la reacción de evolución de hidrógeno del grafeno perforado recientemente sintetizado. Nuestros hallazgos revelan que el grafeno perforado tiene una banda prohibida directa de 1,00 eV utilizando el funcional de correlación de intercambio HSE06. La ausencia de frecuencias de fonones imaginarios en la dispersión de fonones asegura su estabilidad dinámica. La energía de formación del grafeno perforado resulta ser −8,46 eV/átomo, comparable al grafeno (−9,22 eV/átomo) y h-BN (−8,80 eV/átomo). A 300 K, el coeficiente de Seebeck alcanza los 700 μV/K con una concentración de portadores de 1 × 1010 cm-2. La conductividad térmica de la red a temperatura ambiente prevista (κl) de 29,3 W/mK es sustancialmente más baja que la del grafeno (3000 W/mK) y cuatro veces más pequeña que la del C3N (128 W/mK). Con un espesor de alrededor de 335 nm, la temperatura ambiente κl se suprime en un 25%. La cifra de mérito (ZT) de tipo p calculada alcanza un máximo de 1,50 a 300 K, superior a la del grafeno perforado (ZT = 1,13), el γ-grafeno (ZT = 0,48) y el grafeno prístino (ZT = 0,55 × 10 –3). Se escala aún más hasta 3,36 a 600 K. Tales valores colosales de ZT hacen que el grafeno perforado sea un material termoeléctrico de tipo p atractivo. Además de eso, el grafeno perforado es un catalizador potencial de HER con un sobrepotencial bajo de 0,20 eV, que se reduce aún más a 0,03 eV con una tensión de compresión del 2%.

El rápido crecimiento de la población y el desarrollo de la infraestructura están detrás del aumento de la demanda de energía, que aumentará aún más de 23 teravatios en 2030 a 30 teravatios en 20501. Según las estadísticas de la Comunidad mundial de energías renovables (REN21), casi el 80 % de la energía total depende de fuentes convencionales. los recursos energéticos y las fuentes de energía renovables suman sólo el 20% restante2. Una dependencia excesiva de los combustibles fósiles provoca el calentamiento global y problemas ambientales destructivos3. Ha habido un impulso mundial para encontrar alternativas sostenibles y limpias a los combustibles fósiles para contrarrestar tales problemas4. Entre las fuentes de energía renovables naturales, el hidrógeno es una fuente de energía sostenible ideal debido a su alta densidad de energía y ambientalmente benigna5. Sin embargo, se han utilizado catalizadores basados ​​en metales preciosos y menos abundantes para la producción de hidrógeno6, lo que impide su uso generalizado7. Por lo tanto, explorar catalizadores novedosos y libres de metales es una ruta viable para la producción masiva de hidrógeno8,9. Los generadores termoeléctricos también son excelentes alternativas para los recursos energéticos limpios y renovables, teniendo en cuenta la abundancia de calor residual acompañado de un mantenimiento poco frecuente y una larga vida útil del dispositivo, ya que no hay partes móviles involucradas en la tecnología10,11. Aunque Bi2Te3 ha sido ampliamente utilizado en generadores termoeléctricos, la toxicidad y la escasez de telurio restringen su uso12. Además, la conducción bipolar suprime la figura de mérito de Bi2Te3 por encima de 450 K debido a su estrecha banda prohibida12. Por lo tanto, los materiales abundantes y no tóxicos con una banda prohibida razonable serían una opción óptima.

Desde la realización experimental del grafeno13, se ha prestado gran atención a otros alótropos de carbono bidimensionales (2D) debido a sus peculiares propiedades físicas14, estados topológicos15, conos de Dirac sin masa16,17 y comportamiento semiconductor18,19. El grafeno perforado nitrogenado poroso20, la polianilina21, el fagrafeno22, la nafina23, el graftetrayno24 y el bifenileno25 son algunos ejemplos de alótropos de carbono 2D sintetizados experimentalmente.

Entre estos, el grafeno, con átomos de carbono hibridados sp y sp2 variables, constituye una de las familias más grandes de alótropos de grafeno26. Poseen una flexibilidad excepcional, alta movilidad de portadores, una estructura de banda electrónica caracterizada por un cono de Dirac, adsorción eficiente de iones y selectividad molecular debido a estructuras porosas, y conductividad térmica reducida debido a enlaces acetilénicos con estado sp27,28,29,30,31,32 . Recientemente, la técnica de abajo hacia arriba se ha empleado para sintetizar un alótropo de carbono 2D ultrafino llamado holey graphyne33. La nanohoja muestra una excelente estabilidad mecánica, térmica y dinámica. A diferencia del grafeno, es un semiconductor de banda prohibida directa con alta movilidad de portadores (prometedor para aplicaciones en optoelectrónica) y posee átomos de carbono hibridados sp y sp2 que distribuyen uniformemente las arquitecturas porosas (favorable para la separación de gases, desalinización de agua, almacenamiento de energía y catálisis)34. El grafeno perforado también puede considerarse un material de anclaje en baterías de metal-azufre, al igual que otros materiales con estructuras cristalinas similares investigadas previamente para este fin35,36. Sin embargo, hasta donde sabemos, ninguna de estas aplicaciones de la grafía perforada se ha descubierto hasta el momento. En este documento, llevamos a cabo un estudio integral para explorar su potencial en la producción de termoelectricidad y H2. Debido a la presencia de un enlace distintivo único, se prevé que κl sea más bajo en el grafeno perforado en comparación con los otros materiales 2D planos de la familia del grafeno, lo que da como resultado una figura de mérito termoeléctrica mejorada. Por otro lado, la variación en la densidad de carga del enlace acompañada de un plano altamente poroso, lo que aumenta el número de sitios reactivos, lo convierte en una excelente opción para la catálisis.

El Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP)37,38 se utiliza para realizar los cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) mediante el empleo de los funcionales híbridos de intercambio-correlación de Perdew − Burke − Ernzerhof y Heyd − Scuseria − Ernzerhof (HSE06)39,40. Se utiliza una energía de corte de onda plana de 550 eV y una malla k centrada en Γ de 9 × 9 × 1 (30 × 30 × 1) para muestrear la primera zona de Brillouin para cálculos autoconsistentes (no autoconsistentes). El cristal se optimiza hasta que las fuerzas de Hellmann-Feynman caen por debajo de 10–4 eV/Å. Se toma un vacío de 15 Å, perpendicular a la hoja, para eliminar las interacciones entre capas adyacentes. La energía de formación estructural se calcula utilizando Eform. = (Etot. − n.EC)/n fórmula, donde Etot. y EC son las energías totales del grafeno perforado y un átomo de C aislado, respectivamente, y n es el número total de átomos en una celda unitaria. La dispersión de fonones, los coeficientes de transporte térmico y la conductividad térmica de la red se calculan utilizando los códigos Hiphive41, BoltzTraP242 y ShengBTE43, respectivamente. Este sofisticado método se ha utilizado para analizar las características de transporte de numerosos materiales44,45,46. Como entradas para ShengBTE, las constantes de fuerza de segundo y tercer orden se calculan utilizando una supercélula de 3 × 3 × 1. Las constantes de fuerza de tercer orden se calculan desplazando átomos hasta los décimos vecinos más cercanos. Se utiliza una malla q densa de 30 × 30 × 1 para obtener una conductividad térmica de red bien convergente. La conductividad térmica de la red producida tiene una buena convergencia, ya que el valor a 300 K varía menos del 4 % y el 1 % del resultado obtenido con el desplazamiento de átomos hasta el noveno vecino más cercano y 20 × 20 × 1 malla q, respectivamente. El cambio en el cambio de energía libre de Gibbs (ΔGH) se calcula usando la relación, ΔGH = ΔEH + ΔEZPE − TΔS, donde ΔEH, ΔEzpe, T y ΔS representan la energía de adsorción de hidrógeno, el cambio en la energía de punto cero, la temperatura ( 298,15 K), y cambio de entropía, respectivamente47. El valor de ΔEZPE – TΔS es igual a 0,24 eV, dando lugar a ΔGH = ΔEH + 0,2447. La energía de adsorción del hidrógeno se obtiene como ΔEH = Etotal − Epristine − 1/2EH2, donde Etotal, Epristine y EH2 son las energías totales del grafeno perforado con átomo de H adsorbido, grafeno perforado prístino y una sola molécula de H2 en fase gaseosa. , respectivamente.

El grafeno de Holey contiene dos anillos compuestos por seis y ocho átomos de carbono, con un gran poro, como se muestra en la Fig. 1. Cada célula primitiva tiene una constante de red optimizada en el plano de 10,84 Å, de acuerdo con el estudio anterior33. Los enlaces C–C tienen diferentes longitudes de enlace de 1,23 Å (d1; enlace triple hibridado sp), 1,41 Å (d2; enlace simple hibridado sp), 1,40 Å (d3; enlace doble hibridado sp2) y 1,46 Å (d4; sp2 enlace simple hibridado), como se muestra en la Fig. 1b. La energía de formación del grafeno perforado es de −8,46 eV/átomo, comparable con las monocapas de grafeno (−9,22 eV/átomo) y h-BN (−8,80 eV/átomo)48. Vale la pena señalar que el grafeno perforado se ha sintetizado experimentalmente utilizando el enfoque de abajo hacia arriba33. Además de eso, las simulaciones de dinámica molecular ab-initio han determinado que el grafeno perforado es térmicamente estable incluso a temperaturas más altas de 900 K.33 La Fig. 2 muestra las brechas de banda directas calculadas de 0,50 eV (PBE) y 1,0 eV (HSE06), lo que concuerda con el valor previamente calculado y también está cerca del valor experimental de 1.10 eV.33.

Las vistas lateral (a) y superior (b) de la estructura cristalina optimizada de la celda unitaria de grafeno perforado. di (i = 1–4) representa la longitud del enlace. Las líneas discontinuas encierran la celda unitaria.

Estructuras de bandas electrónicas calculadas de grafeno perforado. Las curvas naranja y roja corresponden a las bandas de valencia y conducción, respectivamente. La línea discontinua azul representa el nivel de Fermi.

La dispersión de fonones calculada del grafeno perforado tiene un total de 72 modos de fonones sin frecuencias imaginarias, lo que asegura su estabilidad dinámica (ver Fig. 3). Los fonones acústicos de flexión fuera del plano (ZA) tienen la frecuencia más baja entre los modos acústicos, seguidos por los modos de fonones acústicos transversales (TA) y longitudinales (LA) en el plano. El primer modo de fonón óptico tiene una frecuencia notablemente pequeña de 2,55 THz, lo que favorece la dispersión fonón-fonón alta debido a que el acoplamiento entre ZA y los fonones ópticos más bajos favorece la dispersión fonón-fonón alta49,50. Además, la naturaleza menos dispersiva de los fonones ópticos da como resultado sus pequeñas velocidades de grupo de fonones. Estas características distintas contribuyen colectivamente a un κl bajo, en comparación con otros alótropos de carbono.

Dispersión de fonones calculada de grafeno perforado.

La figura 4 revela los coeficientes de transporte electrónico con respecto a las concentraciones y temperaturas variables de los portadores. La parte electrónica de las conductividades eléctrica (σ/τ) y térmica (κe/τ) aumenta y el coeficiente de Seebeck (S) disminuye linealmente con la concentración de portadores51. La temperatura ambiente |S| (300 µV/K a 1 × 1012 cm−2) es aproximadamente 6 veces mayor que la del grafeno (~ 50 µV/K) a la misma concentración de portador52. El tipo p (tipo n) |S| resulta ser 114 µV/K (110 µV/K) incluso a la concentración de portadores más alta considerada (2 × 1013 cm−2) y a 600 K. El tipo p S2σ/τ aumenta con el aumento de la concentración de portadores hasta que se aproxima a 5 × 1011 W/mK2s (9 × 1011 W/mK2s) a 300 K (600 K) y luego cae a medida que aumenta la concentración de dopaje. Una S y S2σ/τ tan notablemente altas sugieren que vale la pena investigar el grafeno perforado para la termoeléctrica. Es más notable que las dispersiones idénticas de los máximos de la banda de valencia y los mínimos de la banda de conducción dan como resultado una variación similar en los coeficientes de transporte electrónico de tipo p y tipo n.

Coeficientes de transporte electrónico de tipo p y tipo n calculados en función de la concentración de portadores (ρ) a 300 K y 600 K.

Además, hemos analizado cómo las vibraciones de la red afectan la conducción de calor en el grafeno perforado (ver Fig. 5a). La temperatura ambiente calculada κl resulta ser 29,3 W/mK, inferior al grafeno (3000 W/mK)53, γ-graphine (76,4 W/mK)54, C3N (128 W/mK)53 y C2N (82,22 W /mK)55. El κl calculado a 300 K difiere en un 0,01 % de los resultados obtenidos con malla q de 20 × 20 × 1 (es decir, 29,4 W/mK), lo que no deja ningún efecto relevante en nuestra conclusión. El desplazamiento del átomo al noveno vecino más cercano produce κl de 28,05 W/mK, que se desvía en un 4% del valor obtenido al desplazar átomos hasta el décimo vecino más cercano. El κl ultrabajo del grafeno perforado, atractivo desde el punto de vista termoeléctrico, se atribuye a que sus enlaces son menos rígidos que los de los materiales planos mencionados anteriormente. La rigidez del enlace C-C está determinada por la constante de resorte (K) del grafeno perforado, que se calcula como la traza del tensor constante de fuerza armónica entre los átomos adyacentes más cercanos. Se escribe como \(K={\Phi }_{CC}^{xx}+ {\Phi }_{CC}^{yy}+{\Phi }_{CC}^{zz}\), donde \({\Phi }_{MX}^{\alpha \alpha }\) es la segunda derivada de la energía con respecto al desplazamiento de los átomos a lo largo del eje cartesiano α. La rigidez de unión de d1, d2, d3 y d4 es de 87 eV/Å2, 36 eV/Å2, 44 eV/Å2 y 31 eV/Å2, que son sustancialmente menores que las del grafeno (10 105 eV/Å2). Tal característica de enlace inhibe la transferencia de calor a través de vibraciones de red, lo que lleva a valores bajos de κl. La figura 5a muestra que a medida que aumenta la temperatura, κl disminuye debido a la pronunciada dispersión fonón-fonón y sigue la relación κl ∝ 1/T.

(a) Calculado y ajustado (κl ∝ 1/T) κl en función de la temperatura, (b) conductividad térmica reticular acumulada (κcl) en función del camino libre medio de fonones (MFP), (c) tasas de dispersión de fonones, y (d) velocidades de grupos de fonones a 300 K en función de la frecuencia de fonones. Las flechas negras en (c y d) representan la frecuencia de 2,55 THz del primer modo de fonón óptico en el punto Γ.

La nanoestructuración de materiales, donde los materiales se componen de granos de tamaño nanométrico y, además, con estructuras internas a nanoescala56, puede reducir κl sin afectar a σ. Para comprender mejor el alcance de la ingeniería de fonones, se investiga y presenta en la Fig. 5b la conductividad térmica acumulada de la red (κcl) en función de la ruta libre media (MFP) de los fonones. A medida que disminuye la MFP, aumenta la dispersión de fonones, lo que reduce la transferencia de calor. La contribución de los fonones con diferentes MFP a la conductividad térmica de la red se estudia calculando κcl, deduciendo así los fonones más relevantes para la conducción térmica43. A 300 K (600 K), el 75 % de κl proviene de fonones que tienen MFP de 335 nm (110 nm), lo que implica que la reducción de κl mediante nanoestructuración es una estrategia viable para el grafeno perforado. En otras palabras, un tamaño de muestra de 335 nm (110 nm) podría ayudar a reducir el valor heredado de κl a 300 K (600 K) en un cuarto. κcl aumenta (disminuye) con el aumento de MFP (temperatura) y muestra una meseta por encima de 20 092 nm (7924 nm) a 300 K (600 K). Una meseta más baja a 600 K se debe a la mayor dispersión de fonones a temperaturas elevadas10. Dado que los transportes de fonones dependen predominantemente de las tasas de dispersión de fonones y las velocidades del grupo de fonones, nuestros resultados calculados para los modos de fonones acústicos y ópticos se ilustran en la Fig. 5c, d. La tasa de dispersión más alta para fonones acústicos a temperatura ambiente es de 2,74 ps−1, comparativamente más alta que la monocapa C3N (2 ps−1)53. Se debe al acoplamiento de los modos de fonones acústicos y ópticos, lo que conduce a un aumento de las tasas de dispersión de los fonones acústicos, lo que lleva a una reducción considerable de κl50. Las velocidades del grupo de fonones se calculan para validar el análisis anterior y se presentan en la Fig. 5d. La velocidad más alta del grupo de fonones del modo de fonón acústico a temperatura ambiente es de 13,9 km/s, mucho más baja que la del grafeno (~ 22 km/s)57 y el grafeno perforado nitrogenado (18,48 km/s)58. Una velocidad de grupo tan baja es consecuencia de los modos de fonón plano (ver Fig. 3)50. Por lo tanto, un κl más pequeño de grafeno perforado surge de la baja velocidad del grupo de fonones y las altas tasas de dispersión.

La figura de mérito (ZT) depende del tiempo de relajación (τ) y es vital para mostrar el potencial de un material para sus aplicaciones termoeléctricas. En este trabajo hemos adaptado el valor de τ de la teoría del potencial de deformación utilizada en el estudio anterior33. Se emplea la relación τT = 300*τ300/T para obtener su valor a 600 K. Los valores de τ para huecos (electrones) resultan ser 3,27 ps (1,16 ps) y 1,64 ps (0,58 ps) a 300 K y 600 K, respectivamente. El ZT calculado en la Fig. 6 sigue una tendencia ascendente similar a S2σ/τ. El ZT tipo p es más alto que el tipo n y es contrario a la tendencia observada en los coeficientes de transporte electrónico (ver Fig. 4). Es el resultado del hecho de que los huecos y los electrones tienen diferentes tiempos de relajación. La relación ZT = S2T/(κe/σ + κl/σ), donde κl/σ está influenciada por τ, explica que los valores más grandes de τ resultan en una mayor ZT. El ZT asegura valores máximos de 3,36 (1,50) y 1,82 (0,71) a 600 K (300 K) para dopajes tipo p y tipo n, respectivamente. En el estudio anterior33, las simulaciones de dinámica molecular ab-initio determinaron que el grafeno perforado es térmicamente estable incluso a temperaturas superiores a 900 K, según lo establecido en base a las simulaciones de dinámica molecular ab initio. La ZT tipo p a temperatura ambiente del grafeno perforado es más alta que la del grafeno perforado (1,13)59 y significativamente más alta que la del grafeno prístino (0,55 × 10–3)60 y la del grafeno γ (0,48)54.

Figura calculada de mérito (ZT) de grafía perforada.

Dado que los catalizadores libres de metales activos y rentables, a diferencia de los costosos catalizadores basados ​​en Pt, para HER son necesarios para lograr sistemas de energía sostenibles. También hemos descubierto la respuesta de Holey Graphine a ELLA. Como descriptor estándar para la actividad de HER está la energía libre de Gibbs (ΔGH), que se deriva de la energía de adsorción de hidrógeno. En primera instancia, el átomo de H se adsorbe en todos los 9 sitios de adsorción posibles (s1–s9 en la Fig. 7a). El átomo de H encuentra el sitio s2 más favorable. El ΔGH correspondiente del sitio s2 es 0,20 eV, que es mucho más pequeño que el del grafeno (1,41 eV)61, el fosforeno (1,25 eV)62 y el C3N4 (0,58 eV)63 y comparable al bifenileno (0,29 eV)61, véase la figura 7b. De hecho, ΔGH = 0 se destaca como un valor óptimo para HER. Sin embargo, un valor de |ΔGH|< 0,2 eV significa el mejor desempeño catalítico de los materiales para la actividad HER64. Además, nos dedicamos a la ingeniería de deformaciones para evaluar su impacto en ΔGH. Se observa que una tensión de compresión del 2% mejora el rendimiento catalítico del grafeno perforado al reducir ΔGH ​​a 0,03 eV. Además, la simulación de dinámica molecular ab initio asegura la estabilidad térmica del grafeno perforado adsorbido con hidrógeno con respecto a las fluctuaciones de baja energía junto con el H intacto y la estructura de la hoja después de un tiempo de 8 ps (ver Fig. 7c). Para abordar el rendimiento fotocatalítico del grafeno perforado, las posiciones de los máximos de la banda de valencia (VBM) y los mínimos de la banda de conducción (CBM) en relación con el nivel de vacío junto con la reducción de H+/H2 y los potenciales de oxidación (O2/H2O) para la división del agua se presentan en Figura 7d. Es evidente que el CBM es más positivo que el potencial H+/H2, lo que sugiere que el grafeno perforado es un material potencial para la producción de hidrógeno fotocatalítico. Por el contrario, el VBM es mayor que el potencial de oxidación de O2/H2O; por lo tanto, el grafeno perforado no es adecuado para oxidar H2O a O2. Sin embargo, una ingeniería de bandas adecuada para desplazar el VBM hacia abajo (p. ej., dopaje, aplicación de una polarización externa, heterounión, etc.) puede permitir que el agua se divida en H2 y O2.

(a) La celda unitaria del grafeno perforado con los posibles sitios de adsorción (s1–s9) de hidrógeno. ( b ) Energía libre de Gibbs calculada (ΔGH) de adsorción de hidrógeno en grafeno perforado. Los valores correspondientes en grafeno [Ref. 61], C3N4 [Ref. 63] y bifenileno [Ref. 61] también se incluyen a modo de comparación. ( c ) La fluctuación de la energía total durante las simulaciones de dinámica molecular ab-initio a 300 K junto con las estructuras de grafeno perforadas adsorbidas con hidrógeno iniciales y finales. Las esferas marrones y verdes representan átomos de C y H, respectivamente. ( d ) Posiciones calculadas del borde de la banda de grafeno perforado prístino y tenso (2% de tensión de compresión) en relación con el nivel de vacío.

Utilizando los cálculos de los primeros principios, investigamos las propiedades de transporte térmico y la actividad catalítica HER del grafeno perforado, un material semiconductor con una banda prohibida directa de 1,0 eV. Los fonones estrechamente empaquetados muestran frecuencias positivas en toda la zona de Brillouin, lo que garantiza la estabilidad dinámica del grafeno perforado. La temperatura ambiente |S| es tan alto como 300 μV/K a 1 × 1012 cm−2 (casi seis veces más que el grafeno). Los fonones acústicos de flexión se acoplan con el modo de fonón óptico más bajo para mejorar la dispersión fonón-fonón y eventualmente disminuir κl. La temperatura ambiente estimada κl de 29,3 W/mK es ultrabaja en comparación con la del grafeno (3000 W/mK), atribuida a su baja rigidez de unión. Con la ayuda de la ingeniería de nanoestructuras, κl se reduce aún más en un factor de cuatro para un tamaño de cristal de alrededor de 335 nm (110 nm) a 300 K (600 K). El ZT tipo p a temperatura ambiente alcanza un valor máximo de 1,50, muy superior al del grafeno (0,55 × 10–3), lo que demuestra su rendimiento termoeléctrico superior. Por último, el grafeno perforado que tiene un sobrepotencial bajo y un CBM más positivo que el potencial H+/H2, también es capaz de catalizar HER.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

Lewis, NS & Nocera, DG Energizando el planeta: Desafíos químicos en la utilización de la energía solar. proc. nacional Academia ciencia 103(43), 15729–15735. https://doi.org/10.1073/pnas.0603395103 (2006).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

GSR2018_Informe completo_Inglés.

Kverndokk, S. Agotamiento de los combustibles fósiles y el impacto del calentamiento global; Estadísticas de Noruega, Departamento de Investigación: Oslo (1994). http://hdl.handle.net/10419/192091.

Kabeyi, MJB & Olanrewaju, OA Transición energética sostenible para la generación y el suministro de electricidad renovable y baja en carbono. Frente. Res. de energía https://doi.org/10.3389/fenrg.2021.743114 (2022).

Artículo Google Académico

Dunn, S. Futuros del hidrógeno: Hacia un sistema energético sostenible. Int J. Hydrog. Energía 27(3), 235–264. https://doi.org/10.1016/S0360-3199(01)00131-8 (2002).

Artículo CAS Google Académico

Wu, H.-H. et al. Trifosfatos monocapa MP 3 (M = Sn, Ge) con excelente actividad catalítica basal para la reacción de evolución de hidrógeno. Nanoescala 11(25), 12210–12219. https://doi.org/10.1039/C9NR03255J (2019).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Zhang, J., Sasaki, K., Sutter, E. & Adzic, RR Estabilización de electrocatalizadores de reducción de oxígeno de platino utilizando grupos de oro. Ciencia (1979) 315 (5809), 220–222. https://doi.org/10.1126/science.1134569 (2007).

Artículo CAS Google Académico

Tymoczko, J., Calle-Vallejo, F., Schuhmann, W. & Bandarenka, AS Hacer que la reacción de evolución de hidrógeno en electrolizadores de membrana de electrolito polimérico sea aún más rápida. Nat. común 7(1), 10990. https://doi.org/10.1038/ncomms10990 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Sahoo, MR, Ray, A. & Singh, N. Información teórica sobre la reacción de evolución de hidrógeno en monocapas de VGe 2 N 4 y NbGe 2 N 4. ACS Omega 7(9), 7837–7844. https://doi.org/10.1021/acsomega.1c06730 (2022).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Tendencias recientes en la investigación de materiales termoeléctricos II; Semiconductores y semimetales; v.70; Prensa académica: San Diego (2001).

Snyder, GJ & Toberer, ES Materiales termoeléctricos complejos. Nat. Mate. 7(2), 105–114. https://doi.org/10.1038/nmat2090 (2008).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Pei, J., Cai, B., Zhuang, H.-L. & Li, J.-F. Materiales termoeléctricos aplicados basados ​​en Bi2Te3: Avances en investigación y nuevos desafíos. nacional ciencia Rev. 7(12), 1856–1858. https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa259 (2020).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Novoselov, KS y col. Efecto de campo eléctrico en películas de carbono atómicamente delgadas. Ciencia (1979) 306 (5696), 666–669. https://doi.org/10.1126/science.1102896 (2004).

Artículo CAS Google Académico

Allen, MJ, Tung, VC y Kaner, RB Carbono de nido de abeja: una revisión del grafeno. química Rev. 110(1), 132–145. https://doi.org/10.1021/cr900070d (2010).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Zhao, M., Dong, W. y Wang, A. Aisladores topológicos de carbono bidimensional superiores al grafeno. ciencia Rep. 3(1), 3532. https://doi.org/10.1038/srep03532 (2013).

Artículo ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Malko, D., Neiss, C., Viñes, F. & Görling, A. Competencia por el grafeno: Graphynes con conos de dirac dependientes de la dirección. física Rev. Lett. 108(8), 086804. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.086804 (2012).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Zhang, X., Wei, L., Tan, J. y Zhao, M. Predicción de un alótropo de grafeno ultrasuave con conos de dirac. Carbón NY 105, 323–329. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.04.058 (2016).

Artículo CAS Google Académico

Jiang, J.-W. et al. Grafeno gemelo: un novedoso alótropo de carbono semiconductor bidimensional. Carbón NY 118, 370–375. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.03.067 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Zhang, W., Chai, C., Fan, Q., Song, Y. y Yang, Y. Alótropos de carbono bidimensionales con brechas de banda directa sintonizables y alta movilidad de portadores. aplicación ciencia del surf 537, 147885. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.147885 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Mahmood, J. et al. Estructuras bidimensionales perforadas nitrogenadas. Nat. común 6, 4–10. https://doi.org/10.1038/ncomms7486 (2015).

Artículo CAS Google Académico

Mahmood, J. et al. Polianilina bidimensional (C 3 N) a partir de monocristales orgánicos carbonizados en estado sólido. proc. nacional Academia ciencia 113(27), 7414–7419. https://doi.org/10.1073/pnas.1605318113 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Fan, Q. et al. Nanocintas con topología no alternante a partir de la fusión de poliazuleno: alótropos de carbono más allá del grafeno. Mermelada. química Soc. 141(44), 17713–17720. https://doi.org/10.1021/jacs.9b08060 (2019).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Li, Y. et al. Arquitectura y rendimiento electroquímico del esqueleto de carbono de naftilo enlazado con alquinilo: Naphyne. Aplicación ACS. Mate. Interfaces 12(29), 33076–33082. https://doi.org/10.1021/acsami.0c05741 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Pan, Q. et al. Síntesis directa de graftetrayno cristalino, un nuevo alótropo de grafeno. CCS Chem. 3(4), 1368–1375. https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000377 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Fan, Q. et al. Red de bifenileno: un alótropo de carbono no bencenoide. Ciencia (1979) 372 (6544), 852–856. https://doi.org/10.1126/science.abg4509 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Kim, BG & Choi, HJ Graphyne: Red hexagonal de carbono con conos de dirac versátiles. Phys Rev B 86(11), 115435. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.115435 (2012).

Artículo ADS CAS Google Académico

Ouyang, T. et al. Enumeración sistemática de alótropos de grafeno de baja energía basada en una estrategia de búsqueda restringida por coordinación. física Estado sólido (RRL) Resolución rápida. Letón. 14(12), 2000437. https://doi.org/10.1002/pssr.202000437 (2020).

Artículo ADS CAS Google Académico

Kou, J., Zhou, X., Lu, H., Wu, F. y Fan, J. Graphyne como membrana para la desalinización del agua. Nanoescala 6(3), 1865–1870. https://doi.org/10.1039/C3NR04984A (2014).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Yan, P. et al. Alótropo de grafeno recién descubierto con bucle de nodo de dirac raro y robusto. Nanoescala 13(6), 3564–3571. https://doi.org/10.1039/D0NR08397F (2021).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Ouyang, T. et al. Propiedades termoeléctricas de nanocintas y nanouniones de gamma-grafeno. Aplicación J. física 114(7), 073710. https://doi.org/10.1063/1.4818616 (2013).

Artículo ADS CAS Google Académico

Panigrahi, P. et al. Sensor bidimensional de glucosa basado en monocapa de grafeno perforado nitrogenado (C2N) para diabetes mellitus. aplicación Navegar. ciencia 2021(573), 151579. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.151579 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Sajjad, M., Hussain, T., Singh, N. y Larsson, JA Anclaje superior de polisulfuros de sodio al material polar C2N 2D: un potencial potenciador de electrodos en baterías de sodio-azufre. Langmuir 36(43), 13104–13111. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.0c02616 (2020).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Liu, X. et al. Construyendo un grafeno perforado bidimensional con una extensión π anulativa inusual. Asunto https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.04.033 (2022).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

James, A. et al. Graphynes: Arquitecturas nanoporosas indispensables en carbon flatland. RSC Avanzado. 8(41), 22998–23018. https://doi.org/10.1039/C8RA03715A (2018).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Al-Jayyousi, H. et al. Exploración del rendimiento de anclaje superior de las nanoláminas bidimensionales B2C4P2 y B3C2P3 para baterías de litio-azufre. ACS Omega 7(43), 38543–38549. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c03898 (2022).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Al-Jayyousi, HK, Sajjad, M., Liao, K. & Singh, N. Bifenileno bidimensional: un material de anclaje prometedor para baterías de litio-azufre. ciencia Rep. 12(1), 4653. https://doi.org/10.1038/s41598-022-08478-5 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kresse, G. & Furthmüller, J. Eficiencia de los cálculos de energía total Ab-initio para metales y semiconductores utilizando un conjunto de base de onda plana. computar Mate. ciencia 6(1), 15–50. https://doi.org/10.1016/0927-0256(96)00008-0 (1996).

Artículo CAS Google Académico

Kresse, G. & Furthmüller, J. Esquemas iterativos eficientes para cálculos de energía total Ab initio utilizando un conjunto de base de onda plana. física Rev.B 54(16), 11169–11186. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.11169 (1996).

Artículo ADS CAS Google Académico

Perdew, JP, Burke, K. & Ernzerhof, M. Aproximación de gradiente generalizada simplificada. física Rev. Lett. 77(18), 3865–3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865 (1996).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Krukau, AV, Vydrov, OA, Izmaylov, AF & Scuseria, GE Influencia del parámetro de cribado de intercambio en el rendimiento de los funcionales híbridos cribados. J. Chem. física 125(22), 224106. https://doi.org/10.1063/1.2404663 (2006).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Eriksson, F., Fransson, E. y Erhart, P. El paquete hiphive para la extracción de constantes de fuerza de alto orden mediante el aprendizaje automático. Adv. Teoría de la simulación. 2(5), 1800184. https://doi.org/10.1002/adts.201800184 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Madsen, GKH, Carrete, J. & Verstraete, MJ BoltzTraP2, un programa para interpolar estructuras de bandas y calcular coeficientes de transporte semiclásicos. computar física común 231, 140–145. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2018.05.010 (2018).

Artículo ADS CAS Google Académico

Li, W., Carrete, J., Katcho, A. & Mingo, N. ShengBTE: un solucionador de la ecuación de transporte de Boltzmann para fonones. computar física común 185(6), 1747–1758. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2014.02.015 (2014).

Artículo ADS CAS MATH Google Scholar

Wang, B., Yan, X., Cui, X. y Cai, Y. Estudio de primeros principios de la vida útil del fonón y la conductividad térmica de red baja de la monocapa γ-GeSe: un estudio comparativo. Aplicación ACS. Nano Materia. 5(10), 15441–15448. https://doi.org/10.1021/acsanm.2c03476 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Shu, Z. et al. Monocapa termoeléctrica de alto rendimiento γ-GeSe y su familia isoestructural de monocalcogenuro del grupo IV. química Ing. J. 454, 140242. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140242 (2023).

Artículo CAS Google Académico

Sajjad, M. & Singh, N. El impacto del acoplamiento electrón-fonón en la figura de mérito de las monocapas ternarias Nb2SiTe4 y Nb2GeTe4. física química química física 23(29), 15613–15619 (2021).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Norskov, JK et al. Tendencias en la corriente de intercambio para la evolución del hidrógeno. J. Electroquímica. Soc. 152(3), J23. https://doi.org/10.1149/1.1856988 (2005).

Artículo CAS Google Académico

Mortazavi, B., Shojaei, F., Yagmurcukardes, M., Shapeev, AV y Zhuang, X. Anisotrópicas y excelentes respuestas mecánicas, de conducción térmica, ópticas y piezoeléctricas en una nueva monocapa BCN semiconductora confirmada por primeros principios y aprendizaje automático . Carbón NY 200, 500–509. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.08.077 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Mann, S. et al. Conductividad térmica reticular de grafeno puro y dopado (B, N). Mate. Res. Expreso https://doi.org/10.1088/2053-1591/abb2cd (2020).

Artículo Google Académico

Morelli, DT & Slack, GA Sólidos de alta conductividad térmica reticular. Termo alto. Conducta. Mate. 37, 68. https://doi.org/10.1007/0-387-25100-6_2 (2006).

Artículo Google Académico

Li, L., Meller, G. & Kosina, H. Modelo de conductividad analítica para semiconductores orgánicos dopados. Aplicación J. física https://doi.org/10.1063/1.2472282 (2007).

Artículo Google Académico

Ali, M., Pi, X., Liu, Y. y Yang, D. Propiedades electrónicas y termoeléctricas de superredes C3Si3/C y C3Ge3/C atómicamente delgadas. Nanotecnología https://doi.org/10.1088/1361-6528/aa9ebb (2018).

Artículo PubMed Google Académico

Kumar, S., Sharma, S., Babar, V. y Schwingenschlögl, U. Conductividad térmica de celosía ultrabaja en monocapa C3N en comparación con el grafeno. J.Mater. química Un Mate. 5(38), 20407–20411. https://doi.org/10.1039/c7ta05872a (2017).

Artículo CAS Google Académico

Jiang, PH et al. Propiedades termoeléctricas del γ-grafeno a partir de cálculos de primeros principios. Carbón NY 113, 108–113. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.11.038 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Ouyang, T. et al. Estudio de primeros principios del transporte térmico en grafeno perforado nitrogenado. Nanotecnología https://doi.org/10.1088/1361-6528/28/4/045709 (2017).

Artículo PubMed Google Académico

Singh, DJ & Terasaki, I. Termoeléctricos: Nanoestructuración y más. Nat. Mate. 7(8), 616–617. https://doi.org/10.1038/nmat2243 (2008).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Mortazavi, B. et al. Potenciales interatómicos basados ​​en aprendizaje automático eficiente para explorar la conductividad térmica en materiales bidimensionales. J. física. Mate. https://doi.org/10.1088/2515-7639/ab7cbb (2020).

Artículo Google Académico

Zhao, Y., Dai, Z., Lian, C. y Meng, S. Comportamiento termoeléctrico exótico en grafeno perforado nitrogenado. RSC Avanzado. 7(42), 25803–25810. https://doi.org/10.1039/c7ra03597g (2017).

Artículo ADS CAS Google Académico

Singh, D., Shukla, V. & Ahuja, R. Excitaciones ópticas y propiedades termoeléctricas del grafeno perforado bidimensional. física Rev. B 102(7), 75444. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.075444 (2020).

Artículo ADS CAS Google Académico

Anno, Y., Imakita, Y., Takei, K., Akita, S. & Arie, T. Mejora del rendimiento termoeléctrico del grafeno a través de la ingeniería de defectos. 2d Materia. https://doi.org/10.1088/2053-1583/aa57fc (2017).

Artículo Google Académico

Luo, Y. et al. Una investigación de primeros principios sobre las propiedades estructurales, mecánicas, electrónicas y catalíticas del bifenileno. ciencia Rep. 11(1), 1–6. https://doi.org/10.1038/s41598-021-98261-9 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Cai, Y. et al. Diseño de fosforeno para rendimiento de evolución de hidrógeno comparable al platino. química Mate. 31(21), 8948–8956. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.9b03031 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Zheng, Y. et al. Evolución de hidrógeno por un electrocatalizador libre de metales. Nat. común 5(1), 3783. https://doi.org/10.1038/ncomms4783 (2014).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Huang, B., Zhou, N., Chen, X., Ong, W. y Li, N. Información sobre el mecanismo de reacción de evolución de hidrógeno electrocatalítico en carbonitruros de metales de transición bidimensionales (MXene). química Un euro. J. 24(69), 18479–18486. https://doi.org/10.1002/chem.201804686 (2018).

Artículo CAS Google Académico

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NS reconoce el apoyo financiero de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Khalifa en el marco de la Subvención de Innovación y Ciencia Emergente ESIG-2023-004. Los autores también reconocen la contribución de las instalaciones informáticas de investigación y computación de alto rendimiento de la Universidad de Khalifa a los resultados de esta investigación.

Estos autores contribuyeron por igual: Muhammad Sajjad y Surabhi Suresh Nair.

Departamento de Física, Universidad Khalifa de Ciencia y Tecnología, 127788, Abu Dhabi, Emiratos Árabes Unidos

Muhammad Sajjad, Surabhi Suresh Nair y Nirpendra Singh

Departamento de Ingeniería Aeroespacial, Universidad Khalifa de Ciencia y Tecnología, 127788, Abu Dhabi, Emiratos Árabes Unidos

Yarjan Abdul Samad

Cambridge Graphene Centre, Departamento de Ingeniería, Universidad de Cambridge, Cambridge, Reino Unido

Yarjan Abdul Samad

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MS y SSN realizaron los cálculos y escribieron el borrador original. YAS revisó y editó el manuscrito. NS creó la idea y supervisó el proyecto y finalmente revisó el manuscrito.

Correspondencia a Nirpendra Singh.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Sajjad, M., Nair, SS, Samad, YA et al. Figura colosal de mérito y convincente actividad catalítica de HER del grafeno perforado. Informe científico 13, 9123 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35016-8

Descargar cita

Recibido: 14 de marzo de 2023

Aceptado: 11 de mayo de 2023

Publicado: 05 junio 2023

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

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