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Um estudo teórico de caso WS2:Desempenho de armazenamento de hidrogênio melhorado por alteração de fase

Resumo


O hidrogênio é uma energia limpa com alta eficiência, enquanto os problemas de armazenamento e transporte ainda impedem seu uso extensivo. Devido à grande área de superfície específica e estrutura eletrônica única, os materiais bidimensionais têm grande potencial no armazenamento de hidrogênio. Particularmente, monocamada 2H-WS 2 provou ser adequado para armazenamento de hidrogênio. Mas existem poucos estudos sobre as outras duas fases do WS 2 (1T, 1T ′) em armazenamento de hidrogênio. Aqui, realizamos cálculos de primeiro princípio para investigar os comportamentos de adsorção de hidrogênio de todas as três fases de WS 2 . Vários estudos de adsorção de hidrogênio também avaliam a capacidade de armazenamento de hidrogênio desses materiais. Os resultados da análise abrangente mostram que o 1T′-WS 2 tem melhor desempenho de armazenamento de hidrogênio do que o 2H-WS 2 , o que significa que a engenharia de fase pode ser uma maneira eficaz de melhorar o desempenho do armazenamento de hidrogênio. Este artigo fornece uma referência para um estudo mais aprofundado do armazenamento de hidrogênio em materiais bidimensionais.

Introdução


O armazenamento convencional de hidrogênio traz um risco considerável devido à sua baixa ignição, ampla gama de inflamabilidade e fragilização no aço [1, 2]. Embora hidretos metálicos, como CaH 2 , podem armazenar grandes quantidades de hidrogênio, eles não são apenas inflamáveis ​​quando úmidos, mas também caros e difíceis de reutilizar. Portanto, a busca por um material de armazenamento de hidrogênio seguro, econômico e eficaz tornou-se uma preocupação generalizada [3]. Devido à sua grande área de superfície específica e propriedades eletrônicas únicas, os materiais bidimensionais (2D) têm sido amplamente usados ​​em muitos campos, como divisão fotocatalítica de água, reação de evolução de hidrogênio, transistores, dispositivos eletroluminescentes, armazenamento de gás e adsorção de gás [4, 5,6,7,8,9]. Por exemplo, a adsorção de hidrogênio no grafeno envolve a re-hibridização de orbitais de valência de carbono por transformação C – C π ligação a C – H σ ligação, que poderia induzir o bandgap e o momento magnético em torno do nível de Fermi, de modo que a hidrogenação do grafeno oferece uma possibilidade excitante de escrever circuitos eletrônicos diretamente na escala atômica com padrões predefinidos [10]. O sucesso dos materiais à base de grafeno também motivou pesquisas para outros materiais 2D aplicados na adsorção ou armazenamento de gás [11,12,13,14]. Mais importante, materiais de dissulfeto de metal de transição (TMD) em monocamada, especialmente, têm mostrado excelente desempenho no armazenamento de hidrogênio [15].

A capacidade de armazenamento de hidrogênio pode ser avaliada pela força de adsorção das moléculas do gás na superfície do material [16]. A força de adsorção não deve ser muito forte ou muito fraca porque as moléculas de gás alvo são difíceis de separar do material sob forte força de adsorção ou adsorvidas de forma instável sob força de adsorção fraca [17]. A energia de ligação média por molécula de hidrogênio de materiais de armazenamento de hidrogênio adequados é de - 0,2 a - 0,6 eV à temperatura ambiente (cerca de 25 ° C) [12]. No entanto, materiais originais como grafeno ou TMDs têm uma deficiência de que sua força de ligação às moléculas de hidrogênio é muito fraca [18, 19]. Métodos de funcionalização de superfície foram geralmente usados ​​para melhorar suas propriedades de adsorção de hidrogênio. Por dopagem ou processo de decoração, as características da superfície de materiais 2D podem ser alteradas para se adequar à faixa de energia de adsorção de hidrogênio moderada, e o desempenho de armazenamento de hidrogênio pode ser melhorado [20]. No entanto, é difícil manter a estabilidade dos sistemas de decoração [21, 22]. E é desafiador dopar ou decorar com precisão [23]. Esses métodos são teoricamente viáveis, mas longe de serem aplicáveis.

Como TMDs típicos, MoS 2 e WS 2 provaram seu excelente potencial de aplicação no campo de armazenamento de hidrogênio [24, 25]. Por causa de seu desempenho catalítico superior e propriedades elétricas exclusivas, MoS 2 está amplamente preocupado em muitas áreas [26], e WS 2 é frequentemente esquecido. Comparado com MoS de camada única 2 , WS 2 tem melhor estabilidade térmica [27, 28] e maior energia de ligação com moléculas de hidrogênio sob deformação de compressão [29]. É sabido que WS 2 também tem duas outras fases (1T / 1T ′), que têm simetrias distintas e propriedades eletrônicas diferentes. Estudos anteriores mostraram que eles podem ser preparados por métodos simples [30, 31]. A maioria dos métodos foram baseados na transição de fase da fase 2H WS 2 e combinado com formas de estabilização. Muitos estudos demonstraram uma preparação bem-sucedida de 1T / 1T′-WS 2 estável e de alta porcentagem (Tabela S1). Recentemente, o metálico 1T-WS 2 e sua ramificação 1T′-WS 2 demonstraram grande potencial em aplicações de reação de evolução de hidrogênio (HER) [23, 32]. Os resultados da pesquisa mostraram que sua superfície possui moderada força de adsorção ao intermediário H * da reação. Isso abre caminho para outras aplicações relacionadas à adsorção de hidrogênio, como o armazenamento de hidrogênio. No entanto, existem poucos estudos sobre as propriedades de armazenamento de hidrogênio dessas duas fases do WS 2 . Os efeitos da diferença de fase no armazenamento de hidrogênio sempre foram ignorados.

Neste trabalho, investigamos todas as três fases do WS 2 para comparar sua adequação para ser um material de armazenamento de hidrogênio. Realizamos um estudo teórico sistemático das estruturas e analisamos a energia de adsorção e a configuração de adsorção das moléculas de gás. Para simular condições reais de trabalho, a adsorção de numerosas moléculas de hidrogênio foi estudada. Com os resultados do cálculo neste trabalho, descobrimos que 1T′-WS 2 é o melhor candidato entre essas três fases do WS 2 como um material de armazenamento de hidrogênio. Alterando a fase do WS 2 dá uma melhoria no armazenamento de hidrogênio. Assim, pode fornecer uma referência para a pesquisa de armazenamento de hidrogênio por materiais bidimensionais na visão de fase.

Detalhes computacionais


Os primeiros princípios foram usados ​​com base na teoria do funcional da densidade (DFT). Todos os cálculos neste trabalho foram realizados em Dmol3 [33]. A aproximação de densidade local (LDA) é usada para lidar com potenciais de troca e correlação com a função PWC. O potencial produtivo único foi usado para substituir o kernel (pseudopots DFT semi-core) para reduzir o custo de computação. Maior precisão foi alcançada escolhendo um conjunto de base orbital numérica dupla e função de polarização orbital (DNP). Em seguida, um teste de convergência foi aplicado. Após o teste, o Monkhorst-Pack k -points foi definido como 4 × 4 × 1, em seguida, faça uma camada de vácuo de 20 Å para evitar interações intercamadas. A precisão de convergência de energia foi definida para 1 × 10 −5 Hartree (1 Hartree =27,212 eV), o deslocamento máximo foi 0,005 Å e as forças atômicas não foram superiores a 0,002 Hartree / Å. Todos os cálculos posteriores seguem essas propriedades.

Para essas três fases do WS 2 (1T / 1T ′ / 2H), os modelos de cálculo foram supercélulas de monocamada 4 × 4 WS 2 . O 1T-WS 2 e 2H-WS 2 estruturas foram construídas primeiro por nós mesmos. Após a conclusão da construção, a otimização geométrica é realizada, incluindo a otimização da unidade. E o 1T′-WS 2 foi construído com base no existente 1T′-MoS 2 . Enquanto o 1T′-MoS 2 foi construído com base em um modelo 2 × 2 1T, um único átomo de hidrogênio foi definido como um átomo S do 1T MoS 2 . Em seguida, o sistema recebeu outra otimização de geometria. Após a otimização, os átomos de hidrogênio foram removidos e otimizados novamente para obter o 1T′-MoS regular 2 estrutura. Depois disso, todos os átomos de Mo foram substituídos por átomos de W em um modelo 2 × 2 e, em seguida, passaram por uma otimização da geometria, incluindo a otimização das células novamente.

Com o WS 2 × 2 otimizado 2 modelo, uma supercélula de 4 × 4 monocamada WS 2 foi construído. Conforme mostrado na Figura S1, os modelos de todas essas três fases do WS 2 contêm 32 átomos de S e 16 átomos de W em uma célula. Como 16 dos 25 átomos W apresentados no modelo de fase 1T estão nos locais da borda ou canto, a quantidade válida de átomos W na célula ainda é 16. As ligações entre cada átomo W no modelo 1T ou 2H são iguais, enquanto aqueles em 1T′-WS 2 não são iguais. Com a ligação W – W em 1T′-WS 2 , o arranjo dos átomos de W parece uma cadeia em zigue-zague.

Consequentemente, a fase 1T ′ também é chamada de fase da cadeia em zigue-zague em alguns estudos. Podemos encontrar unidades repetidas nas três estruturas que possuem caracteres em comum. Conforme mostrado nas ilustrações da Fig. 1, as caixas verdes representam as unidades repetidas com apenas átomos W na borda, enquanto as vermelhas são aquelas delineadas por átomos S. Devido à diferença de simetria, o tamanho da caixa verde no modelo 1T ′ é quase duas vezes maior que a do modelo 1T. A caixa vermelha nos modelos 1T ou 1T ′ é um hexágono, mas no modelo 2H é um triângulo. Existem também unidades de repetição semelhantes em 1T e 1T′-WS 2 estruturas, como a área retangular azul na Figura S1. Além disso, os elementos axissimétricos mostrados nas caixas vermelhas nos modelos 1T e 1T ′ também podem ser encontrados na Figura S1 e que também podem representar a simetria de 1T e 1T′-WS 2 estrutura.

Estrutura de geometria, DOS e resultados de estrutura de banda de a 2H-WS 2 , b 1T-WS 2 , e c 1T′-WS 2 ; bolas amarelas representam S, e bolas glaucous representam W

Uma única molécula de hidrogênio foi colocada no c -eixo acima do WS 2 plano para estabelecer um modelo de adsorção de hidrogênio, e vários locais de adsorção com alta simetria geométrica foram selecionados. Para o caso de 1T-WS 2 mostrado na Figura S2 (b) e (e), havia cinco locais:logo acima do átomo S da camada superior, logo acima do átomo S da camada inferior, logo acima do átomo W, acima da ligação do átomo W e na camada superior Átomo S, acima da ligação do átomo W e do átomo S da camada inferior. E para 1T′-WS 2 , essas seis situações foram mostradas na Figura S2 (c) e (f). Para 2H-WS 2 mostrado na Figura S2 (a) e (d), havia quatro situações:logo acima do sítio do átomo S, logo acima do sítio do átomo W, acima do meio do átomo W e sítio do átomo S, e logo acima do centro do estrutura do hexágono. Esses locais foram escolhidos por serem locais altamente simétricos desses materiais. Após determinadas otimizações de geometria e comparação da energia de adsorção, locais de adsorção estáveis ​​podem ser encontrados. E distinguimos a postura da molécula de hidrogênio adsorvida no 1T′-WS 2 devido à sua simetria estrutural relativamente baixa. As moléculas de hidrogênio foram definidas horizontalmente ou verticalmente (como mostrado na Figura S3), o que duplicou a situação. Após a otimização da geometria, toda a energia de adsorção é apresentada na Tabela S2. Os locais de adsorção mais estáveis ​​foram escolhidos de acordo com os resultados da energia de adsorção. Para o processo de adsorção de hidrogênio, a energia de adsorção é calculada pela seguinte função: E anúncio = E tot - E tapete - E hyd , onde E tot é a energia total de cada uma dessas três fases do WS 2 com as moléculas de hidrogênio adsorvidas, E tapete (energia do material) representa a energia total do WS 2 primitivo , e E hyd representa a energia total de uma molécula de hidrogênio isolada. De acordo com esta relação, um maior valor absoluto de E anúncio leva a mais estabilidade do sistema de adsorção. A força atuante entre os materiais e as moléculas de gás alvo também pode ser refletida pelo valor absoluto de E anúncio . Uma força repulsiva é representada por um valor positivo de E anúncio , enquanto um valor negativo reflete uma força atrativa. Embora a energia de adsorção exata não possa ser obtida por meio deste método [34], ela pode refletir a forma e a força da interação entre o hidrogênio e o material adsorvente. Conforme apresentado acima, a energia de adsorção ideal para aplicações de armazenamento de hidrogênio para cada molécula de hidrogênio é - 0,2 a - 0,6 eV / H 2 à temperatura ambiente [35].

Resultados e discussão


Para todos esses modelos de materiais, as estruturas com a energia mais baixa podem ser encontradas após a otimização da geometria. Os comprimentos de todas as ligações W – S na monocamada 1T-WS 2 e 2H-WS 2 são 2,428 Å e 2,402 Å, respectivamente. Mas aqueles no 1T′-WS 2 são desiguais, que têm comprimentos de cerca de 2,453 Å, 2,410 Å e 2,490 Å. Também pode ser descoberto que as ligações W – W no modelo 1T ′ otimizado têm um comprimento de cerca de 2.784 Å. Estruturas de banda de todas essas três fases de WS 2 primitivo otimizado são mostrados na Fig. 1. Para a fase metálica 1T, não há bandgap. E para a fase 1T ′, possui uma estrutura de banda semimetálica. Já na fase 2H, a estrutura da banda condiz com a característica de um semicondutor. A densidade parcial de estado (PDOS) desses três modelos também é mostrada na Fig. 1. Pode ser visto a partir dos resultados do PDOS que a forma das órbitas Sp e Wd são mais semelhantes à do DOS total em todas essas três figuras , indicando que as órbitas Sp e Wd contribuíram para o DOS total, principalmente para todas essas três fases do WS 2 . A tendência dos resultados DOS de 1T′-WS 2 está de acordo com a estrutura da banda e concorda com o estudo anterior [32]. As diferentes posições das moléculas de hidrogênio absorvidas foram comparadas para encontrar as mais estáveis ​​em todos esses três modelos. As posições foram escolhidas de acordo com o E anúncio e a carga de Hirschfeld resulta das situações listadas sobre as moléculas de hidrogênio únicas absorvidas nas estruturas dessas três fases (o E anúncio e os resultados da carga de Hirschfeld são mostrados na Fig. 2a – c e na Tabela S2). Para 1T WS 2 , é o site 3, e para 1T′-WS 2 , é o local 1 (como mostrado na Fig. 2b, c), enquanto que para 2H-WS 2 , é o local 3 (todos mostrados na Fig. 2a e Tabela S2-S3). Com base nesses resultados, em primeiro lugar, fase 1T WS 2 não é adequado para adsorção de hidrogênio porque o E anúncio para hidrogênio em 1T WS 2 é muito mais significativo do que 0,6 eV (Tabela S2). Isso significa que será muito difícil liberar as moléculas de hidrogênio adsorvidas do 1T WS 2 superfície. De acordo com esse resultado, os estudos a seguir não devem se preocupar com essa fase. O E anúncio os resultados da fase 1T ′ e da fase 2H estão em torno de - 0,27 eV, ambas na faixa de energia de adsorção aplicável para aplicações de armazenamento de hidrogênio.

Resultados de energia de adsorção de H 2 sistema de adsorção para a único H 2 em 2H-WS2, b e c único H 2 em 1T’-WS 2 ; Resultados PDOS da situação com o anúncio E mais baixo (à esquerda) ou mais alto (à direita) em d Modelos 2H e aquele em e Modelo 1T '

Para comparar ainda mais essas duas fases, a análise PDOS foi realizada, que é mostrado na Fig. 2d, e. As partes da esquerda mostram as energias de adsorção de PDOS mais baixas das duas fases, enquanto as partes da direita são as duas das mais altas. Existem pequenas diferenças em ambas as situações de energia mais baixa ou mais alta. Na parte esquerda da Fig. 2d, e (que corresponde à menor energia de adsorção), os picos principais estão ambos em - 3 a - 5 eV. Já para a parte certa (que representa a maior energia de adsorção), apareceu entre - 2,5 e - 6 eV. Esta aparência significa que há uma sobreposição maior entre o PDOS da molécula de hidrogênio e WS 2 , o que indica uma interação mais forte entre eles. Esses resultados estão de acordo com os resultados da energia de adsorção. No entanto, os resultados do PDOS para situações de molécula de hidrogênio única ainda não podem refletir bem a diferença na propriedade de adsorção de hidrogênio entre esses dois tipos de materiais.

Portanto, fizemos o estudo sobre diferentes números de moléculas de hidrogênio adsorvidas na superfície de ambos 1T ′ e 2H-WS 2 . Como mostra a Figura S4, definimos diferentes números de moléculas de hidrogênio (16, 32, 48 e 64) na superfície de ambos 1T ′ e 2H-WS 2 . Para 1T′-WS 2 , quando o número de moléculas de hidrogênio está abaixo de 16, cada uma das moléculas de hidrogênio é colocada na posição mais estável (local 1v). Considerando a influência da interação potencial entre vários H 2 moléculas, discutimos posteriormente o arranjo de H 2 quando 2 ou 3 H 2 moléculas adsorvidas 1T′-WS 2 . Para duas moléculas de hidrogênio, consideramos três situações:sítios vizinhos (2H 2 -1), em sites separados do mesmo lado (2H 2 -2), e nos locais mais próximos de lados diferentes (2H 2 -3). Para três moléculas de hidrogênio, havia cinco casos:três sítios vizinhos do mesmo lado (3H 2 -1); dois vizinhos e um separado, todos do mesmo lado (3H 2 -2); três separados no mesmo lado (3H 2 -3); dois vizinhos do mesmo lado e um do outro lado (3H 2 -4); e dois separados do mesmo lado e um do outro lado (3H 2 -5). A adsorção calculada para cada caso foi comparada (Tabela S4). Os resultados mostram que a configuração de moléculas de hidrogênio em locais vizinhos de 1T′-WS 2 tornaria a energia de adsorção total maior do que os casos separados. Isso significa que a mudança de energia de adsorção irregular ocorrerá se H 2 as moléculas foram definidas aleatoriamente, mesmo no mesmo local de adsorção. No entanto, não houve influência evidente quando as moléculas de hidrogênio foram definidas nos locais mais próximos de lados diferentes de 1T′-WS 2 . Com base nesses resultados, as moléculas de hidrogênio são definidas de acordo com os seguintes princípios:quando H 2 as moléculas estão abaixo de 8, as moléculas de hidrogênio são definidas em locais de adsorção não adjacentes em ambos os lados de 1T′-WS 2 ; quando o número for de 8 a 16, os sites vizinhos não poderiam ser evitados. Os locais de adsorção adjacentes ainda são evitados tanto quanto possível. Quando as moléculas de hidrogênio estão entre 17 e 32, 16 delas são colocadas na posição mais estável (local 1v), e o resto é colocado verticalmente acima dos átomos de W (local 3v). Quando as moléculas de hidrogênio são maiores que 32, a distância entre essas moléculas de hidrogênio terá prioridade para evitar a formação de grupos moleculares de hidrogênio, que é mostrado na Figura S6. E então, o posicionamento horizontal ou vertical dependerá dos resultados da energia de adsorção do hidrogênio individual. Portanto, quando o H 2 está entre 33 e 48, as primeiras 16 moléculas estão no local 1v, as segundas 16 moléculas estão no local 3v e as demais estão no local 4h. Quando o número está acima de 48, as primeiras 16 moléculas estão no local 1v, as segundas 16 moléculas estão no local 3v, as terceiras 16 moléculas estão no local 4h e as demais estão no local 2h. Tentamos organizar as moléculas de hidrogênio uniformemente em ambos os lados dessa estrutura e garantir que a distância entre cada molécula de hidrogênio seja grande o suficiente. Na condição da fase 2H, semelhante aos casos de 1T′-WS 2 , quando as moléculas de hidrogênio estão abaixo de 32, cada uma é definida na posição mais estável discutida acima (local 3). Para evitar os efeitos de inconsistência causados ​​pela interação entre as moléculas de hidrogênio, as moléculas de hidrogênio foram colocadas em locais não adjacentes quando a quantidade fosse menor que 16. Mas devemos tentar evitar locais vizinhos quando a quantidade estiver entre 17 e 32. Quando o número for entre 33 e 64, o resto é colocado no centro do hexágono (local 4). Também tentamos distribuir todas as moléculas seguindo o princípio mencionado acima. Por outro lado, também consideramos a estabilidade do sistema de adsorção com uma alta concentração de H 2 moléculas. Quando uma molécula de gás tem mais de 16 anos, a estabilidade de todo o sistema também foi explorada por simulações de dinâmica molecular, apresentadas na Figura S7. Após 500 etapas de simulação de dinâmica de moléculas, não há nenhuma flambagem de geometria emergindo, e a energia total também permanece quase constante, de modo que todo o sistema tem grande estabilidade.

A energia de adsorção para as moléculas de hidrogênio foi calculada após dada uma otimização da geometria. Como mostra a Fig. 3, não importa em qual fase do WS 2 , a energia total de adsorção aumenta quase linearmente quando o número de moléculas de hidrogênio aumenta. Isso significa que quando o número de moléculas de hidrogênio aumenta, a força de interação entre o material e as moléculas adsorvidas não muda muito. A área verde na Fig. 3a apresenta a área de energia de adsorção de hidrogênio moderada. Pode-se verificar que 2H-WS 2 sai desta área antes da fase 1T ′. Isso significa que quando a quantidade de H 2 adsorvido as moléculas se tornam redundantes, mais moléculas de hidrogênio serão difíceis de serem liberadas do 2H-WS 2 do que de 1T′-WS 2 , que pretende uma capacidade de hidrogênio menor. Então, também, como mostra a Fig. 3, o número de moléculas de hidrogênio para as energias de adsorção médias das moléculas de hidrogênio adsorvidas na faixa de - 0,2 a - 0,6 eV está abaixo de 48 ou 55 na situação de fase 2H ou 1T ′ , respectivamente. Isso significa a quantidade de adsorção razoável teórica para hidrogênio em 2H-WS 2 pode ser de até 2,4% em peso, enquanto que na fase 1T ′, pode ser de até 2,7% em peso. Isso revela que a mudança de fase pode melhorar o desempenho de armazenamento de hidrogênio do WS 2 efetivamente. A energia de adsorção média dos dois tipos de WS 2 diminui e aumenta quando não é mais que 8. É fácil entender que quando o material adsorve mais moléculas de gás, a força média de interação entre as moléculas de gás e o material se tornará mais fraca. No entanto, quando o número de moléculas de hidrogênio é maior que 8, a razão para o aumento da energia média de adsorção ainda é desconhecida.

Gráficos de a energia de adsorção total e b energia de adsorção média em função do número de moléculas de hidrogênio absorvidas no 1T’- e 2H-WS 2

Faça o estudo PDOS novamente, como mostrado na Fig. 4. Pode-se descobrir que conforme o número de moléculas de hidrogênio aumenta, o PDOS total das moléculas de hidrogênio adsorvidas torna-se disperso em ambas as fases de WS 2 (especialmente quando o número de moléculas de hidrogênio é superior a 16). E o escopo do PDOS de moléculas únicas de hidrogênio adsorvidas nesses sistemas também se torna mais extenso. Mas o PDOS para os átomos de W e átomos de S permanece inalterado, o que representa a estabilidade desses dois materiais quando as moléculas de hidrogênio foram adsorvidas. Os resultados também mostram que conforme o número de moléculas de hidrogênio aumenta, a área de sobreposição de PDOS entre as moléculas de hidrogênio e os dois WS 2 moléculas aumentam.

Resultados PDOS de vários H 2 sistemas de adsorção para a todos e b moléculas de hidrogênio únicas em 2H-WS 2 e 1T’-WS 2

A interação entre as moléculas de hidrogênio e WS 2 fica mais forte. Isso revela o motivo do aumento da energia média de adsorção quando o número de moléculas de hidrogênio adsorvidas aumenta.

Para explorar ainda mais a interação entre as moléculas de hidrogênio e os materiais, o estudo de diferença de densidade de elétrons (EDD) também foi realizado. Como mostrado na Fig. 5 (formas planas na Figura S5), o EDD resulta quando 4, 16, 32 e 64 moléculas de hidrogênio adsorvidas em 2H ​​ou 1T′-WS 2 Foram apresentados. As áreas laranja representam áreas de valores positivos, indicando uma tendência para obter elétrons. Enquanto as áreas azuis significam áreas negativas, representando um esgotamento de elétrons. Para 2H e 1T′-WS 2 , as áreas laranja eram mais prováveis ​​de aparecer perto dos átomos de S, enquanto as áreas azuis estavam perto dos átomos de H. A tendência torna-se mais distinta quando 32 ou 64 hidrogênios são adsorvidos, como mostram as Fig. 5c, d, g e h. Também foi possível observar que havia áreas laranja e azul entre as moléculas de hidrogênio quando mais moléculas de hidrogênio foram adsorvidas, indicando interação entre o H 2 adsorvido moléculas existem. Isso aumenta a força de adsorção para cada molécula de hidrogênio no material, aumentando a energia de adsorção média. Além disso, há outra coisa que não pode ser ignorada:áreas azuis evidentes podem ser vistas quando mais moléculas de hidrogênio são adsorvidas em 1T′-WS 2 (Fig. 5 g, h). Enquanto nos casos de 2H, tal fenômeno não é evidente. Isso demonstra que os átomos de W também passaram por um processo de redistribuição de elétrons. E os átomos de W em 1T′-WS 2 tendeu a oferecer mais elétrons para compartilhar o suprimento de elétrons fornecido principalmente pelas moléculas de hidrogênio do que em 2H-WS 2 casos. Com base nisso, a força atuante em cada molécula de hidrogênio foi enfraquecida até certo ponto. Essa pode ser a razão pela qual o 1T′-WS 2 poderia acomodar mais moléculas de hidrogênio do que o 2H-WS 2 sob a garantia de que a força adsorvente média seja moderada.

Densidade de diferença eletrônica de a 4H 2 em 2H-WS 2 , b 16H 2 em 2H-WS 2 , c 32H 2 em 2H-WS 2 , d 64H 2 em 2H-WS 2 , e 4H 2 em 1T′-WS 2 , f 16H 2 em 1T′-WS 2 , g 32H 2 em 1T′-WS 2 , e h 64H 2 em 1T′-WS 2 . O valor da isosuperfície é considerado 0,002 e / Å

Conclusão


Neste artigo, modelos de adsorção de hidrogênio de 2H, 1T e 1T ′ monocamada WS 2 foram construídos. Sua capacidade de adsorção de hidrogênio é explorada por aproximação de densidade local (LDA). Então, comparando a energia de adsorção quando várias moléculas de hidrogênio foram adsorvidas, descobriu-se que 1T′-WS 2 pode conter mais moléculas de hidrogênio do que 2H-WS 2 enquanto a energia de adsorção média está na faixa moderada (- 0,2 a - 0,6 eV). Pode atingir a razão de adsorção de hidrogênio razoável de até 2,7% em peso, mais do que 2H-WS 2 , que é 2,4% em peso, indicando que a influência da fase é aparente para o armazenamento de hidrogênio, e 1T ′ fase WS 2 possui maior capacidade de hidrogênio do que a contraparte 2H. Considerando todos os resultados calculados neste estudo, 1T ′ fase WS 2 é um material adequado para aplicações de adsorção de hidrogênio. Ele pode fornecer uma referência teórica para estudos sobre materiais de armazenamento de hidrogênio altamente integrados.

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