Melhoria do Armazenamento de Hidrogênio em WS₂: Insights Teóricos sobre Desempenho Dependente de Fase

Resumo

O hidrogênio é uma energia limpa com alta eficiência, porém problemas de armazenamento e transporte ainda impedem seu uso extensivo. Devido à grande área superficial específica e estrutura eletrônica única, materiais bidimensionais têm grande potencial no armazenamento de hidrogênio. Em particular, o WS₂ 2H monocamada demonstrou ser adequado para esse fim. Contudo, poucos estudos abordaram as outras duas fases do WS₂ (1T, 1T') no armazenamento de hidrogênio. Neste trabalho, realizamos cálculos de primeiros princípios para investigar o comportamento de adsorção de hidrogênio nas três fases do WS₂. Estudos de adsorção múltipla de hidrogênio também avaliaram as capacidades de armazenamento desses materiais. A análise abrangente mostra que o 1T'-WS₂ apresenta melhor desempenho de armazenamento de hidrogênio que o 2H-WS₂, indicando que a engenharia de fase pode ser uma via eficaz para melhorar o desempenho. Este artigo fornece referência para estudos futuros sobre armazenamento de hidrogênio em materiais bidimensionais.

Introdução

O armazenamento convencional de hidrogênio apresenta riscos consideráveis devido à sua baixa energia de ignição, ampla faixa de inflamabilidade e fragilização do aço [1, 2]. Embora hidretos metálicos, como CaH₂, possam armazenar grandes quantidades de hidrogênio, eles não são apenas inflamáveis quando úmidos, mas também caros e difíceis de reutilizar. Portanto, a busca por materiais de armazenamento de hidrogênio seguros, econômicos e eficazes tornou-se uma preocupação generalizada [3]. Devido à sua grande área superficial específica e propriedades eletrônicas únicas, materiais bidimensionais (2D) têm sido amplamente utilizados em diversos campos, como fotocatálise de separação da água, reação de evolução de hidrogênio, transistores, dispositivos eletroluminescentes, armazenamento e adsorção de gases [4-9]. Por exemplo, a adsorção de hidrogênio no grafeno envolve a rehibridização dos orbitais de valência do carbono, transformando a ligação C–C π em ligação C–H σ, o que pode induzir lacuna de banda e momento magnético ao redor do nível de Fermi, permitindo escrever circuitos eletrônicos em escala atômica com padrões predefinidos [10]. O sucesso de materiais baseados em grafeno também motivou pesquisas sobre outros materiais 2D aplicados em adsorção ou armazenamento de gases [11-14]. Mais importante, materiais de dissulfeto de metal de transição (TMD) monocamada mostraram excelente desempenho no armazenamento de hidrogênio [15].

A capacidade de armazenamento de hidrogênio pode ser avaliada pela força de adsorção das moléculas de gás sobre a superfície do material [16]. A força de adsorção não deve ser nem muito forte nem muito fraca, pois moléculas-alvo são difíceis de separar do material sob força de adsorção forte ou permanecem instáveis sob força fraca [17]. As energias médias de ligação por molécula de hidrogênio de materiais adequados para armazenamento situam-se entre −0,2 e −0,6 eV à temperatura ambiente (cerca de 25 °C) [12]. No entanto, materiais originais como grafeno ou TMDs apresentam a deficiência de força de ligação muito fraca com moléculas de hidrogênio [18, 19]. Métodos de funcionalização de superfície costumam ser adotados para melhorar suas propriedades de adsorção de hidrogênio. Por dopagem ou decoração, as características de superfície de materiais 2D podem ser alteradas para se encaixarem na faixa de energia de adsorção moderada, melhorando ainda mais o desempenho [20]. Contudo, é difícil manter a estabilidade de sistemas decorados [21, 22] e desafiador dopar ou decorar com precisão [23]. Tais métodos são teoricamente viáveis, mas distantes de aplicações práticas.

Como TMDs típicos, MoS₂ e WS₂ demonstraram excelente potencial de aplicação no armazenamento de hidrogênio [24, 25]. Devido ao seu desempenho catalítico superior e propriedades elétricas únicas, o MoS₂ é amplamente estudado em muitas áreas [26], enquanto o WS₂ é frequentemente negligenciado. Comparado ao MoS₂ monocamada, o WS₂ apresenta melhor estabilidade térmica [27, 28] e maior energia de ligação com moléculas de hidrogênio sob tensão de compressão [29]. Sabe-se que o WS₂ também possui outras duas fases (1T/1T'), com simetrias distintas e diferentes propriedades eletrônicas. Estudos prévios mostraram que elas podem ser preparadas por métodos simples [30, 31]. A maioria dos métodos baseia-se na transição de fase a partir do WS₂ 2H combinada com formas de estabilização. Muitos estudos demonstraram preparação bem-sucedida de 1T/1T'-WS₂ com alta porcentagem e estabilidade (Tabela S1). Recentemente, o 1T-WS₂ metálico e sua ramificação 1T'-WS₂ demonstraram grande potencial em aplicações de reação de evolução de hidrogênio (HER) [23, 32]. Os resultados mostraram que suas superfícies têm força de adsorção moderada ao intermediário de reação H*. Isso abre caminho para outras aplicações relacionadas à adsorção de hidrogênio, como armazenamento. No entanto, poucos estudos abordam as propriedades de armazenamento de hidrogênio dessas duas fases do WS₂. Os efeitos da diferença de fase no armazenamento de hidrogênio sempre foram ignorados.

Neste trabalho, investigamos todas as três fases do WS₂ para comparar sua adequação como material de armazenamento de hidrogênio. Realizamos um estudo teórico sistemático das estruturas e analisamos a energia e configuração de adsorção de moléculas de gás. Para simular condições reais de trabalho, estudou-se a adsorção de numerosas moléculas de hidrogênio. Com os resultados de cálculo, descobrimos que o 1T'-WS₂ é o melhor candidato entre as três fases do WS₂ como material de armazenamento de hidrogênio. Alterar a fase do WS₂ proporciona melhoria no armazenamento de hidrogênio. Assim, pode fornecer referência para pesquisas de armazenamento de hidrogênio por materiais bidimensionais na perspectiva de fase.

Detalhes Computacionais

Utilizaram-se princípios baseados na teoria do funcional da densidade (DFT). Todos os cálculos foram conduzidos no Dmol3 [33]. A aproximação de densidade local (LDA) foi usada para tratar potenciais de troca e correlação com a função PWC. O potencial pseudopotencial de núcleo único (DFT semi-core pseudopots) foi usado para reduzir o custo computacional. Maior precisão foi alcançada escolhendo conjunto de base orbital numérico duplo e função de polarização orbital (DNP). Em seguida, realizou-se teste de convergência. Após o teste, os k-pontos de Monkhorst-Pack foram definidos como 4 × 4 × 1, e uma camada de vácuo de 20 Å foi adicionada para evitar interações entre camadas. A precisão de convergência de energia foi definida como 1 × 10⁻⁵ Hartree (1 Hartree = 27,212 eV), o deslocamento máximo como 0,005 Å, e as forças atômicas não superiores a 0,002 Hartree/Å. Todos os cálculos posteriores seguem esses parâmetros.

Para as três fases do WS₂ (1T/1T'/2H), os modelos de cálculo foram supercélulas de 4 × 4 monocamada de WS₂. As estruturas 1T-WS₂ e 2H-WS₂ foram construídas inicialmente por nós. Após a construção, realizou-se otimização geométrica, incluindo otimização de célula unitária. O 1T'-WS₂ foi construído baseado no 1T'-MoS₂ existente. Enquanto o 1T'-MoS₂ foi construído baseado em um modelo 2 × 2 1T, um único átomo de hidrogênio foi colocado em posição-chave ligado a um átomo de S do MoS₂ 1T. Então, o sistema passou por outra otimização geométrica. Após otimização, os átomos de hidrogênio foram removidos e otimizou-se novamente para obter a estrutura regular de 1T'-MoS₂. Depois, todos os átomos de Mo foram substituídos por átomos de W em um modelo 2 × 2, seguida de outra otimização geométrica, incluindo otimização de célula.

Com o modelo 2 × 2 de WS₂ otimizado, construiu-se uma supercélula de 4 × 4 monocamada de WS₂. Como mostrado na Figura S1, os modelos de todas as três fases do WS₂ contêm 32 átomos de S e 16 átomos de W em uma célula. Como 16 dos 25 átomos de W presentes no modelo de fase 1T estão nos sítios de borda ou canto, a quantidade válida de átomos de W na célula permanece 16. As ligações entre cada átomo de W no modelo 1T ou 2H são iguais, enquanto as no 1T'-WS₂ não são iguais. Com a ligação W–W no 1T'-WS₂, o arranjo dos átomos de W parece uma cadeia em zigue-zague.

Consequentemente, a fase 1T' também é chamada de fase cadeia em zigue-zague em alguns estudos. Podemos encontrar unidades de repetição nas três estruturas que têm caracteres em comum. Como mostrado nas ilustrações da Fig. 1, as caixas verdes representam as unidades de repetição com apenas átomos de W na borda, enquanto as vermelhas são aquelas delimitadas por átomos de S. Devido à diferença de simetria, o tamanho da caixa verde no modelo 1T' é quase o dobro da do modelo 1T. A caixa vermelha nos modelos 1T ou 1T' é um hexágono, mas no modelo 2H é um triângulo. Também existem unidades de repetição semelhantes nas estruturas 1T e 1T'-WS₂, como a área retangular azul na Figura S1. Além disso, os elementos axisimétricos mostrados nas caixas vermelhas nos modelos 1T e 1T' também podem ser encontrados na Figura S1 e representam a simetria das estruturas 1T e 1T'-WS₂.

Estrutura geométrica, DOS e estrutura de bandas de a 2H-WS₂, b 1T-WS₂ e c 1T'-WS₂; esferas amarelas representam S, e esferas glaucas representam W

Uma única molécula de hidrogênio foi colocada no eixo c acima do plano de WS₂ para estabelecer um modelo de adsorção de hidrogênio, e vários sítios de adsorção com alta simetria geométrica foram selecionados. Para o caso de 1T-WS₂ mostrado na Figura S2 (b) e (e), havia cinco sítios: logo acima do átomo de S da camada superior, logo acima do átomo de S da camada inferior, logo acima do átomo de W, acima da ligação do átomo de W, e acima do átomo de S da camada superior, acima da ligação do átomo de W e átomo de S da camada inferior. Para 1T'-WS₂, estas seis situações foram mostradas na Figura S2 (c) e (f). Para 2H-WS₂ mostrado na Figura S2 (a) e (d), havia quatro situações: logo acima do sítio do átomo de S, logo acima do sítio do átomo de W, acima do meio do sítio do átomo de W e S, e logo acima do centro da estrutura hexagonal. Esses sítios foram escolhidos por serem sítios altamente simétricos desses materiais. Após otimizações geométricas e comparação de energia de adsorção, sítios de adsorção estáveis puderam ser encontrados. Distinguiu-se a postura da molécula de hidrogênio adsorvida no 1T'-WS₂ devido à sua simetria estrutural relativamente menor. As moléculas de hidrogênio foram posicionadas horizontal ou verticalmente (como mostrado na Figura S3), o que dobrou as situações. Após a otimização geométrica, todas as energias de adsorção são apresentadas na Tabela S2. Os sítios de adsorção mais estáveis foram escolhidos de acordo com os resultados de energia de adsorção. Para o processo de adsorção de hidrogênio, a energia de adsorção é calculada pela seguinte função: E_ad = E_tot − E_mat − E_hyd, onde E_tot é a energia total de cada uma das três fases de WS₂ com as moléculas de hidrogênio adsorvidas, E_mat (energia do material) representa a energia total do WS₂ puro, e E_hyd representa a energia total de uma molécula de hidrogênio isolada. Segundo esta relação, um valor absoluto maior de E_ad leva a maior estabilidade do sistema de adsorção. A força de atuação entre os materiais e moléculas de gás-alvo também pode ser refletida pelo valor absoluto de E_ad. Uma força repulsiva é representada por valor positivo de E_ad, enquanto valor negativo reflete força atrativa. Embora a energia de adsorção exata não possa ser obtida através deste método [34], ela pode refletir a forma e força da interação entre hidrogênio e material adsorvente. Como introduzido acima, a energia de adsorção ideal para aplicações de armazenamento de hidrogênio para cada molécula de hidrogênio é −0,2 a −0,6 eV/H₂ à temperatura ambiente [35].

Resultados e Discussão

Para todos os modelos desses materiais, as estruturas com menor energia puderam ser encontradas após a otimização geométrica. Os comprimentos de todas as ligações W–S na monocamada 1T-WS₂ e 2H-WS₂ são 2,428 Å e 2,402 Å, respectivamente. Mas as no 1T'-WS₂ são desiguais, com comprimentos em torno de 2,453 Å, 2,410 Å e 2,490 Å. Também se observa que as ligações W–W no modelo 1T' otimizado têm comprimento de cerca de 2,784 Å. As estruturas de bandas de todas as três fases de WS₂ puro otimizado são mostradas na Fig. 1. Para a fase 1T metálica, não há lacuna de banda. Para a fase 1T', tem estrutura de banda semi-metálica. Enquanto na fase 2H, a estrutura de banda concorda com a característica de semicondutor. A densidade de estados parcial (PDOS) desses três modelos também é mostrada na Fig. 1. Vê-se nos resultados de PDOS que a forma das órbitas S-p e W-d são mais semelhantes à do DOS total nas três figuras, indicando que órbitas S-p e W-d contribuíram para o DOS total, majoritariamente, para todas as três fases de WS₂. A tendência dos resultados de DOS do 1T'-WS₂ é concordante com a estrutura de banda e concorda com estudo prévio [32]. As diferentes posições de moléculas de hidrogênio absorvidas foram comparadas para encontrar as mais estáveis em todos os três modelos. Posições foram escolhidas segundo E_ad e resultados de carga de Hirschfeld das situações listadas sobre moléculas de hidrogênio simples absorvidas nas estruturas dessas três fases (os resultados de E_ad e carga de Hirschfeld são mostrados na Fig. 2a–c e Tabela S2). Para 1T WS₂, é o sítio 3, e para 1T'-WS₂, é o sítio 1 (como mostrado na Fig. 2b, c), enquanto para 2H-WS₂, é o sítio 3 (todos mostrados na Fig. 2a e Tabela S2-S3). Baseado nesses resultados, primeiramente, a fase 1T WS₂ não é adequada para adsorção de hidrogênio porque o E_ad para hidrogênio no 1T WS₂ é significativamente maior que 0,6 eV (Tabela S2). Isso significa que será muito difícil liberar as moléculas de hidrogênio adsorvidas da superfície do 1T WS₂. Segundo este resultado, os estudos seguintes não devem considerar esta fase. Os resultados de E_ad das fases 1T' e 2H estão em torno de −0,27 eV, ambos na faixa de energia de adsorção aplicável para aplicações de armazenamento de hidrogênio.

Resultados de energia de adsorção de sistema de adsorção de H₂ para a H₂ simples no 2H-WS2, b e c H₂ simples no 1T'-WS₂; resultados de PDOS da situação com menor (esquerda) ou maior (direita) E_ad em d modelos 2H e em e modelo 1T'

Para comparar melhor essas duas fases, realizou-se análise de PDOS, mostrada na Fig. 2d, e. As partes esquerda mostram as menores energias de adsorção PDOS das duas fases, enquanto as partes direita são as das maiores. Há pequenas diferenças em ambas situações de menor ou maior energia. Na parte esquerda da Fig. 2d, e (correspondente à menor energia de adsorção), os picos principais estão ambos entre −3 a −5 eV. Enquanto para a parte direita (que representa a maior energia de adsorção), apareceu entre −2,5 e −6 eV. Essa aparição significa que há uma sobreposição maior entre o PDOS da molécula de hidrogênio e do WS₂, indicando interação mais forte entre eles. Esses resultados concordam bem com os resultados de energia de adsorção. No entanto, os resultados de PDOS para situações de molécula de hidrogênio simples ainda não refletem bem a diferença na propriedade de adsorção de hidrogênio entre esses dois tipos de materiais.

Portanto, realizamos estudo sobre diferentes números de moléculas de hidrogênio adsorvidas na superfície de ambos 1T' e 2H-WS₂. Como a Figura S4 mostra, definimos diferentes números de moléculas de hidrogênio (16, 32, 48 e 64) na superfície de ambos 1T' e 2H-WS₂. Para 1T'-WS₂, quando o número de moléculas de hidrogênio é inferior a 16, cada uma é posicionada no sítio mais estável (sítio 1v). Considerando a influência da interação potencial entre múltiplas moléculas H₂, discutimos ainda o arranjo de H₂ quando 2 ou 3 moléculas H₂ adsorvem no 1T'-WS₂. Para duas moléculas de hidrogênio, consideramos três situações: sítios vizinhos (2H₂-1), em sítios separados do mesmo lado (2H₂-2), e nos sítios mais próximos de lados diferentes (2H₂-3). Para três moléculas de hidrogênio, havia cinco casos: três sítios vizinhos do mesmo lado (3H₂-1); dois vizinhos e um separado, todos no mesmo lado (3H₂-2); três separados no mesmo lado (3H₂-3); dois vizinhos no mesmo lado e um no outro lado (3H₂-4); e dois separados no mesmo lado e um no outro lado (3H₂-5). A energia de adsorção calculada para cada caso foi comparada (Tabela S4). Os resultados mostram que posicionar moléculas de hidrogênio em sítios vizinhos do 1T'-WS₂ faria a energia total de adsorção maior que casos separados. Isso significa que mudança irregular de energia de adsorção será trazida se moléculas H₂ forem posicionadas aleatoriamente mesmo no mesmo sítio de adsorção. Contudo, não houve influência evidente quando moléculas de hidrogênio foram posicionadas nos sítios mais próximos de lados diferentes do 1T'-WS₂. Baseado nesses resultados, moléculas de hidrogênio são posicionadas segundo os seguintes princípios: quando moléculas H₂ são abaixo de 8, são posicionadas em sítios de adsorção não adjacentes em qualquer lado do 1T'-WS₂; quando o número é 8 a 16, sítios vizinhos não puderam ser evitados. Sítios de adsorção adjacentes ainda são evitados o máximo possível. Quando moléculas de hidrogênio estão entre 17 e 32, 16 delas são posicionadas no sítio mais estável (sítio 1v), e o restante verticalmente acima dos átomos de W (sítio 3v). Quando moléculas de hidrogênio são mais de 32, a distância entre essas moléculas será priorizada para evitar formação de grupos moleculares de hidrogênio, mostrado na Figura S6. E então, a colocação horizontal ou vertical dependerá dos resultados de energia de adsorção de hidrogênio simples. Portanto, quando H₂ está entre 33 e 48, as primeiras 16 moléculas estão no sítio 1v, as segundas 16 no sítio 3v, e o restante no sítio 4h. Quando o número é acima de 48, as primeiras 16 no sítio 1v, as segundas 16 no sítio 3v, as terceiras 16 no sítio 4h, e o restante no sítio 2h. Tentamos arranjar moléculas de hidrogênio uniformemente em ambos os lados dessa estrutura e garantir que a distância entre cada molécula seja suficiente. Na condição da fase 2H, similar aos casos de 1T'-WS₂, quando moléculas de hidrogênio são abaixo de 32, cada uma é posicionada no sítio mais estável discutido acima (sítio 3). Para evitar efeitos de inconsistência causados pela interação entre moléculas de hidrogênio, foram posicionadas em sítios não adjacentes quando a quantidade é menor que 16. Mas devemos tentar evitar sítios vizinhos quando a quantidade está entre 17 e 32. Quando o número está entre 33 e 64, o restante é colocado no centro do hexágono (sítio 4). Também tentamos distribuir todas as moléculas seguindo o princípio mencionado. Por outro lado, também consideramos a estabilidade do sistema de adsorção com alta concentração de moléculas H₂. Quando uma molécula de gás é mais de 16, a estabilidade do sistema inteiro também foi explorada por simulações de dinâmica molecular, apresentada na Figura S7. Após 500 passos de simulação de dinâmica molecular, não surgiu flambagem geométrica, e a energia total também permanece quase constante, de modo que o sistema inteiro tem grande estabilidade.

A energia de adsorção às moléculas de hidrogênio foi calculada após otimização geométrica. Como a Fig. 3 mostra, independentemente da fase de WS₂, 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 moderada de hidrogênio. Verifica-se que o 2H-WS₂ sai dessa área antes que a fase 1T'. Isso significa que quando a quantidade de moléculas H₂ adsorvidas se torna redundante, mais moléculas de hidrogênio serão difíceis de liberar do 2H-WS₂ que do 1T'-WS₂, o que indica menor capacidade de hidrogênio. Então também, como a Fig. 3 mostra, o número de moléculas de hidrogênio para as energias médias de adsorção das moléculas adsorvidas estarem na faixa de −0,2 a −0,6 eV é abaixo de 48 ou 55 na situação de fase 2H ou 1T', respectivamente. Isso significa que a quantidade razoável teórica de adsorção de hidrogênio no 2H-WS₂ pode chegar a 2,4% em peso, enquanto na fase 1T' pode chegar a 2,7% em peso. Isso revela que mudar a fase pode melhorar efetivamente o desempenho de armazenamento de hidrogênio do WS₂. A energia média de adsorção dos dois tipos de WS₂ diminui e depois 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 ficará 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 total de adsorção e b energia média de adsorção em função do número de moléculas de hidrogênio absorvidas no 1T'- e 2H-WS₂

Realizamos estudo de PDOS novamente, como mostrado na Fig. 4. Verifica-se que à medida que o número de moléculas de hidrogênio aumenta, o PDOS total das moléculas de hidrogênio adsorvidas torna-se disperso em ambas fases de WS₂ (especialmente quando o número é maior que 16). E o escopo de PDOS de moléculas de hidrogênio simples adsorvidas nesses sistemas também se torna mais extenso. Mas o PDOS para átomos de W e S permanece inalterado, representando a estabilidade desses dois materiais quando moléculas de hidrogênio foram adsorvidas. Os resultados também mostram que à medida que o número de moléculas de hidrogênio aumenta, a área de sobreposição de PDOS entre as moléculas de hidrogênio e as duas moléculas de WS₂ aumenta.

Resultados de PDOS de sistemas de adsorção múltipla de H₂ para _a todos e _b moléculas de hidrogênio simples no 2H-WS₂ e 1T'-WS₂

A interação entre moléculas de hidrogênio e WS₂ torna-se mais forte. Isso revela a razão para o aumento da energia média de adsorção quando o número de moléculas de hidrogênio adsorvidas aumenta.

Para explorar ainda a interação entre moléculas de hidrogênio e os materiais, o estudo de diferença de densidade eletrônica (EDD) também foi realizado. Como mostrado na Fig. 5 (plantas na Figura S5), os resultados de EDD quando 4, 16, 32 e 64 moléculas de hidrogênio adsorveram no 2H ou 1T'-WS₂ foram apresentados. As áreas laranjas representam áreas de valor positivo, indicando tendência a ganhar elétrons. Enquanto as áreas azuis significam áreas negativas, representando depleção de elétrons. Para ambos 2H e 1T'-WS₂, as áreas laranjas eram mais propensas a aparecer perto de átomos de S, enquanto as áreas azuis ficavam próximas a átomos de H. A tendência torna-se mais distinta quando 32 ou 64 hidrogênios foram adsorvidos, como Fig. 5c, d, g e h mostram. Também se observou que havia áreas laranjas e azuis entre as moléculas de hidrogênio quando mais moléculas foram adsorvidas, indicando que interação entre as H₂ adsorvidas existe. Isso se soma à força de adsorção para cada molécula de hidrogênio no material, aumentando a energia média de adsorção. Além disso, há outra coisa que não pode ser ignorada: áreas azuis evidentes podiam ser vistas quando mais moléculas de hidrogênio adsorviam no 1T'-WS₂ (Fig. 5 g, h). Enquanto nos casos 2H, tal fenômeno não é evidente. Isso manifesta que os átomos de W também passaram por processo de redistribuição eletrônica. E os átomos de W no 1T'-WS₂ tenderam a oferecer mais elétrons para compartilhar o suprimento eletrônico que principalmente provido pelas moléculas de hidrogênio que no 2H-WS₂. Baseado nisso, a força de atuação em cada molécula de hidrogênio foi enfraquecida em certa medida. Isso poderia ser a razão pela qual o 1T'-WS₂ pôde acomodar mais moléculas de hidrogênio que o 2H-WS₂ sob a garantia da força média de adsorção ser moderada.

Diferença de densidade eletrônica de a 4H₂ no 2H-WS₂, b 16H₂ no 2H-WS₂, c 32H₂ no 2H-WS₂, d 64H₂ no 2H-WS₂, e 4H₂ no 1T'-WS₂, f 16H₂ no 1T'-WS₂, g 32H₂ no 1T'-WS₂ e h 64H₂ no 1T'-WS₂. O valor de isosuperfície é tomado como 0,002 e/Å

Conclusão

Neste artigo, modelos de adsorção de hidrogênio de WS₂ monocamada 2H, 1T e 1T' foram construídos. Sua capacidade de adsorção a hidrogênio foi explorada pela aproximação de densidade local (LDA). Então, comparando a energia de adsorção quando múltiplas moléculas de hidrogênio foram adsorvidas, descobriu-se que o 1T'-WS₂ pôde conter mais moléculas de hidrogênio que o 2H-WS₂ enquanto a energia média de adsorção está na faixa moderada (−0,2 a −0,6 eV). Pode atingir razão razoável de adsorção de hidrogênio até 2,7% em peso, mais que a do 2H-WS₂, que é 2,4% em peso, indicando que a influência de fase é aparente para armazenamento de hidrogênio, e a fase 1T' WS₂ possui maior capacidade de hidrogênio que a contraparte 2H. Considerando todos os resultados calculados neste estudo, a fase 1T' WS₂ é um material adequado para aplicações de adsorção de hidrogênio. Poderia fornecer referência teórica para estudos sobre materiais de armazenamento de hidrogênio altamente integrados.

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