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Jul 19, 2023

Figure de mérite colossale et activité catalytique convaincante de HER de holey graphyne

Rapports scientifiques volume 13,

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9123 (2023) Citer cet article

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Ici, nous avons mené une étude approfondie pour découvrir les propriétés de transport thermique et l'activité catalytique de la réaction d'évolution de l'hydrogène de la graphie trouée récemment synthétisée. Nos résultats révèlent que la graphie trouée a une bande interdite directe de 1, 00 eV en utilisant la fonctionnelle de corrélation d'échange HSE06. L'absence de fréquences de phonons imaginaires dans la dispersion des phonons assure sa stabilité dynamique. L'énergie de formation du graphyne troué s'avère être de − 8,46 eV/atome, comparable au graphène (− 9,22 eV/atome) et au h-BN (− 8,80 eV/atome). A 300 K, le coefficient Seebeck atteint 700 μV/K à une concentration de porteurs de 1 × 1010 cm-2. La conductivité thermique du réseau à température ambiante (κl) prévue de 29,3 W/mK est nettement inférieure à celle du graphène (3 000 W/mK) et quatre fois inférieure à celle du C3N (128 W/mK). À environ 335 nm d'épaisseur, la température ambiante κl supprime de 25 %. Le facteur de mérite de type p calculé (ZT) atteint un maximum de 1,50 à 300 K, supérieur à celui du graphène troué (ZT = 1,13), du γ-graphyne (ZT = 0,48) et du graphène vierge (ZT = 0,55 × 10 –3). Il évolue ensuite jusqu'à 3,36 à 600 K. Ces valeurs ZT colossales font de la graphie trouée un matériau thermoélectrique de type p attrayant. En plus de cela, la graphie trouée est un catalyseur HER potentiel avec une faible surtension de 0,20 eV, qui se réduit encore à 0,03 eV à une contrainte de compression de 2 %.

La croissance rapide de la population et le développement des infrastructures sont à l'origine de la demande énergétique croissante, qui passera de 23 térawatts en 2030 à 30 térawatts en 20501. Selon les statistiques de la Communauté mondiale des énergies renouvelables (REN21), près de 80 % de l'énergie totale repose sur des énergies conventionnelles. les ressources énergétiques et les sources d'énergie renouvelables n'ajoutent que les 20% restants2. Une dépendance excessive aux combustibles fossiles provoque un réchauffement climatique et des problèmes environnementaux destructeurs3. Il y a eu une poussée mondiale pour trouver des alternatives durables et propres aux combustibles fossiles pour contrer ces problèmes4. Parmi les sources d'énergie renouvelables naturelles, l'hydrogène est une source d'énergie durable idéale en raison de sa densité énergétique élevée et de son innocuité pour l'environnement5. Cependant, des catalyseurs à base de métaux précieux et moins abondants ont été utilisés pour la production d'hydrogène6, empêchant leur utilisation généralisée7. Par conséquent, l'exploration de catalyseurs nouveaux et sans métal est une voie viable pour la production de masse d'hydrogène8,9. Les générateurs thermoélectriques sont également d'excellentes alternatives pour les ressources énergétiques propres et renouvelables, compte tenu de l'abondance de chaleur résiduelle accompagnée d'un entretien peu fréquent et de la longue durée de vie de l'appareil, car aucune pièce mobile n'est impliquée dans la technologie10,11. Bien que le Bi2Te3 ait été largement utilisé dans les générateurs thermoélectriques, la toxicité et la rareté du tellure limitent leur utilisation12. De plus, la conduction bipolaire supprime le facteur de mérite de Bi2Te3 au-dessus de 450 K en raison de sa bande interdite étroite12. Par conséquent, des matériaux abondants et non toxiques avec une bande interdite raisonnable seraient un choix optimal.

Depuis la réalisation expérimentale du graphène13, une attention considérable a été accordée à d'autres allotropes de carbone bidimensionnels (2D) en raison de leurs propriétés physiques particulières14, de leurs états topologiques15, de leurs cônes de Dirac sans masse16,17 et de leur comportement semi-conducteur18,19. Le graphène troué azoté poreux20, la polyaniline21, le phagraphène22, le naphyne23, le graphtétrayne24 et le biphénylène25 sont quelques exemples d'allotropes de carbone 2D synthétisés expérimentalement.

Parmi ceux-ci, le graphyne, avec des atomes de carbone hybrides sp et sp2 variables, constitue l'une des plus grandes familles d'allotropes de graphène26. Ils possèdent une flexibilité exceptionnelle, une mobilité élevée des porteurs, une structure de bande électronique caractérisée par un cône de Dirac, une adsorption efficace des ions et une sélectivité moléculaire en raison des structures poreuses, et une conductivité thermique réduite en raison des liaisons acétyléniques avec l'état sp27,28,29,30,31,32 . Récemment, la technique ascendante a été utilisée pour synthétiser un allotrope de carbone 2D ultrafin nommé holey graphyne33. La nanofeuille présente une excellente stabilité mécanique, thermique et dynamique. Contrairement au graphène, il s'agit d'un semi-conducteur à bande interdite directe avec une mobilité élevée des porteurs (prometteur pour les applications en optoélectronique) et possède des atomes de carbone hybrides sp et sp2 répartissant uniformément les architectures poreuses (favorables à la séparation des gaz, au dessalement de l'eau, au stockage d'énergie et à la catalyse)34. La graphie trouée peut également être considérée comme un matériau d'ancrage dans les batteries métal-soufre, comme d'autres matériaux avec des structures cristallines similaires précédemment recherchées à cette fin35,36. Cependant, à notre connaissance, aucune de ces applications de la graphie trouée n'a été découverte jusqu'à présent. Ici, nous avons mené une étude approfondie pour explorer son potentiel dans la thermoélectricité et la production de H2. En raison de la présence d'une liaison distincte unique, κl devrait être inférieur dans le graphyne troué par rapport aux autres matériaux 2D plats de la famille des graphènes, ce qui se traduit par un facteur de mérite thermoélectrique amélioré. D'autre part, la variation de la densité de charge de liaison accompagnée d'un plan très poreux, qui augmente le nombre de sites réactifs, en fait un excellent choix pour la catalyse.

Le progiciel de simulation Ab-initio de Vienne (VASP)37,38 est utilisé pour effectuer les calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) en utilisant les fonctionnelles hybrides échange-corrélation de Perdew − Burke − Ernzerhof et Heyd − Scuseria − Ernzerhof (HSE06)39,40. Une énergie de coupure d'onde plane de 550 eV et une maille k centrée sur Γ de 9 × 9 × 1 (30 × 30 × 1) sont utilisées pour échantillonner la première zone de Brillouin pour des calculs auto-cohérents (non auto-cohérents). Le cristal est optimisé jusqu'à ce que les forces Hellmann-Feynman descendent en dessous de 10-4 eV/Å. Un vide de 15 Å, perpendiculaire à la feuille, est pris pour éliminer les interactions entre couches adjacentes. L'énergie de formation structurelle est calculée à l'aide d'Eform. = (Etot. − n.EC)/n formule, où Etot. et EC sont les énergies totales du graphyne troué et d'un atome de C isolé, respectivement, et n est le nombre total d'atomes dans une cellule unitaire. La dispersion des phonons, les coefficients de transport thermique et la conductivité thermique du réseau sont calculés à l'aide des codes Hiphive41, BoltzTraP242 et ShengBTE43, respectivement. Cette méthode sophistiquée a été utilisée pour analyser les caractéristiques de transport de nombreux matériaux44,45,46. En tant qu'entrées de ShengBTE, les constantes de force de 2e et 3e ordre sont calculées à l'aide d'une supercellule 3 × 3 × 1. Les constantes de force d'ordre 3 sont calculées en déplaçant les atomes jusqu'au dixième plus proche voisin. Un maillage q dense de 30 × 30 × 1 est utilisé pour obtenir une conductivité thermique de réseau bien convergente. La conductivité thermique du réseau produit est bien convergée, car la valeur à 300 K varie de moins de 4% et 1% du résultat obtenu avec le déplacement des atomes jusqu'au neuvième plus proche voisin et 20 × 20 × 1 q-mesh, respectivement. La variation de la variation d'énergie libre de Gibbs (ΔGH) est calculée à l'aide de la relation ΔGH = ΔEH + ΔEZPE − TΔS, où ΔEH, ΔEzpe, T et ΔS représentent l'énergie d'adsorption d'hydrogène, la variation de l'énergie du point zéro, la température ( 298,15 K), et changement d'entropie, respectivement47. La valeur de ΔEZPE – TΔS est égale à 0,24 eV, donnant lieu à ΔGH = ΔEH + 0,2447. L'énergie d'adsorption de l'hydrogène est obtenue sous la forme ΔEH = Etotal - Epristine - 1/2EH2, où Etotal, Epristine et EH2 sont les énergies totales de la graphie trouée avec un atome H adsorbé, de la graphie trouée vierge et d'une seule molécule H2 en phase gazeuse , respectivement.

La graphie trouée contient deux anneaux composés de six et huit atomes de carbone, avec un gros pore, comme le montre la figure 1. Chaque cellule primitive a une constante de réseau optimisée dans le plan de 10,84 Å, en accord avec l'étude précédente33. Les liaisons C – C ont des longueurs de liaison différentes de 1,23 Å (d1 ; sp2 hybridation triple liaison), 1,41 Å (d2 ; sp hybridation simple liaison), 1,40 Å (d3 ; sp2 hybridation double liaison) et 1,46 Å (d4 ; sp2 liaison simple hybridée), comme le montre la figure 1b. L'énergie de formation du graphyne troué est de − 8,46 eV/atome, comparable aux monocouches de graphène (− 9,22 eV/atome) et de h-BN (− 8,80 eV/atome)48. Il convient de souligner que la graphie trouée a été synthétisée expérimentalement en utilisant l'approche ascendante33. En plus de cela, des simulations de dynamique moléculaire ab-initio ont déterminé que la graphie trouée est thermiquement stable même à des températures plus élevées de 900 K. la valeur calculée précédemment et est également proche de la valeur expérimentale de 1,10 eV.33.

Les vues de côté (a) et de dessus (b) de la structure cristalline optimisée de la cellule unitaire trouée de graphyne. di (i = 1–4) représente la longueur de la liaison. Les lignes pointillées délimitent la cellule unitaire.

Structures de bandes électroniques calculées de graphyne troué. Les courbes orange et rouge correspondent respectivement aux bandes de valence et de conduction. La ligne pointillée bleue représente le niveau de Fermi.

La dispersion calculée des phonons de la graphie trouée a un total de 72 modes de phonons sans fréquences imaginaires, assurant sa stabilité dynamique (voir Fig. 3). Les phonons acoustiques de flexion hors plan (ZA) ont la fréquence la plus basse parmi les modes acoustiques, suivis des modes de phonons acoustiques transversaux (TA) et acoustiques longitudinaux (LA) dans le plan. Le premier mode de phonon optique a une fréquence sensiblement petite de 2,55 THz, favorisant la diffusion phonon-phonon élevée en raison du couplage entre ZA et les phonons optiques les plus bas favorisant une diffusion phonon-phonon élevée49,50. De plus, la nature moins dispersive des phonons optiques se traduit par leurs petites vitesses de groupe de phonons. Ces caractéristiques distinctes contribuent collectivement à un faible κl, par rapport aux autres allotropes de carbone.

Dispersion calculée des phonons de la graphie trouée.

La figure 4 révèle les coefficients de transport électronique par rapport aux différentes concentrations de porteurs et températures. La partie électronique des conductivités électrique (σ/τ) et thermique (κe/τ) augmente et le coefficient Seebeck (S) diminue linéairement avec la concentration en porteurs51. La température ambiante |S| (300 µV/K à 1 × 1012 cm−2) est environ 6 fois supérieure à celle du graphène (~ 50 µV/K) à la même concentration de porteur52. Le type p (type n) |S| s'avère être de 114 µV/K (110 µV/K) même à la concentration de porteurs la plus élevée considérée (2 × 1013 cm−2) et à 600 K. Le type p S2σ/τ augmente avec la concentration de porteurs croissante jusqu'à ce qu'il approche de 5 × 1011 W/mK2s (9 × 1011 W/mK2s) à 300 K (600 K) puis diminue à mesure que la concentration de dopage augmente. Un S et un S2σ/τ aussi remarquablement élevés suggèrent qu'il vaut la peine d'étudier le graphe troué pour la thermoélectricité. Il est en outre à noter que des dispersions identiques des maxima de la bande de valence et des minima de la bande de conduction entraînent une variance similaire des coefficients de transport électronique de type p et de type n.

Coefficients de transport électronique de type p et de type n calculés en fonction de la concentration en porteurs (ρ) à 300 K et 600 K.

De plus, nous avons examiné comment les vibrations du réseau affectent la conduction thermique dans la graphie trouée (voir Fig. 5a). La température ambiante calculée κl s'avère être de 29,3 W/mK, inférieure au graphène (3000 W/mK)53, au γ-graphyne (76,4 W/mK)54, au C3N (128 W/mK)53 et au C2N (82,22 W /mK)55. Le κl calculé à 300 K diffère de 0,01 % des résultats obtenus avec un maillage q de 20 × 20 × 1 (c'est-à-dire 29,4 W/mK), ne laissant aucun effet pertinent sur notre conclusion. Le déplacement des atomes vers le neuvième plus proche voisin donne κl de 28,05 W/mK, ce qui s'écarte de 4 % de la valeur obtenue en déplaçant les atomes jusqu'au dixième plus proche voisin. Le κl ultrafaible de la graphie trouée, qui est attrayant du point de vue thermoélectrique, est attribué à ses liaisons moins rigides que celles des matériaux plats mentionnés ci-dessus. La rigidité de la liaison C – C est déterminée par la constante de rappel (K) de la graphie trouée, qui est calculée comme la trace du tenseur constant de la force harmonique entre les atomes adjacents les plus proches. Il s'écrit \(K={\Phi }_{CC}^{xx}+ {\Phi }_{CC}^{yy}+{\Phi }_{CC}^{zz}\), où \({\Phi }_{MX}^{\alpha \alpha }\) est la seconde dérivée de l'énergie par rapport au déplacement des atomes le long de l'axe cartésien α. La rigidité de liaison de d1, d2, d3 et d4 est de 87 eV/Å2, 36 eV/Å2, 44 eV/Å2 et 31 eV/Å2, qui sont nettement inférieures à celle du graphène (10 105 eV/Å2). Une telle caractéristique de liaison inhibe le transfert de chaleur via les vibrations du réseau, conduisant à de faibles valeurs κl. La figure 5a montre que lorsque la température augmente, κl diminue en raison de la diffusion prononcée phonon-phonon et suit la relation κl ∝ 1/T.

(a) Calculé et ajusté (κl ∝ 1/T) κl en fonction de la température, (b) conductivité thermique cumulée du réseau (κcl) en fonction du libre parcours moyen des phonons (MFP), (c) taux de diffusion des phonons, et (d) vitesses des groupes de phonons à 300 K en fonction de la fréquence des phonons. Les flèches noires en (c et d) représentent la fréquence 2,55 THz du premier mode de phonon optique au point Γ.

La nanostructuration des matériaux, où les matériaux sont composés de grains de taille nanométrique et de plus avec des structures internes à l'échelle nanométrique56, peut réduire κl sans affecter σ. Pour mieux comprendre la portée de l'ingénierie des phonons, la conductivité thermique cumulée du réseau (κcl) en fonction du libre parcours moyen des phonons (MFP) est étudiée et présentée sur la figure 5b. Lorsque la MFP diminue, la diffusion des phonons augmente, réduisant le transfert de chaleur. La contribution des phonons avec différents MFP à la conductivité thermique du réseau est étudiée en calculant κcl, déduisant ainsi les phonons les plus pertinents pour la conduction thermique43. À 300 K (600 K), 75% de κl proviennent de phonons ayant une MFP de 335 nm (110 nm), ce qui implique que la réduction de κl par nanostructuration est une stratégie viable pour la graphie trouée. En d'autres termes, une taille d'échantillon de 335 nm (110 nm) pourrait aider à réduire d'un quart la valeur héritée de κl à 300 K (600 K). κcl augmente (diminue) avec l'augmentation de la MFP (température) et montre un plateau au-dessus de 20 092 nm (7924 nm) à 300 K (600 K). Un plateau inférieur à 600 K est dû à la diffusion plus forte des phonons à des températures élevées10. Étant donné que les transports de phonons dépendent principalement des taux de diffusion des phonons et des vitesses de groupe de phonons, nos résultats calculés pour les modes de phonons acoustiques et optiques sont illustrés à la Fig. 5c, d. Le taux de diffusion le plus élevé pour les phonons acoustiques à température ambiante est de 2,74 ps-1, comparativement plus élevé que la monocouche C3N (2 ps-1)53. Elle est due au couplage des modes phonons acoustiques et optiques, qui entraîne une augmentation des taux de diffusion des phonons acoustiques, conduisant à une réduction considérable de κl50. Les vitesses de groupe de phonons sont calculées pour valider l'analyse ci-dessus et présentées sur la figure 5d. La vitesse de groupe de phonons la plus élevée du mode phonon acoustique à température ambiante est de 13,9 km/s, bien inférieure à celle du graphène (~ 22 km/s)57 et du graphène troué azoté (18,48 km/s)58. Une vitesse de groupe aussi faible est une conséquence des modes de phonons plats (voir Fig. 3)50. Ainsi, un κl plus petit de graphie trouée provient d'une faible vitesse de groupe de phonons et de taux de diffusion élevés.

Le facteur de mérite (ZT) dépend du temps de relaxation (τ) et est indispensable pour mettre en valeur le potentiel d'un matériau pour ses applications thermoélectriques. Dans ce travail, nous avons adapté la valeur de τ de la théorie du potentiel de déformation utilisée dans l'étude précédente33. La relation τT = 300*τ300/T est engagée pour donner sa valeur à 600 K. Les valeurs de τ pour les trous (électrons) s'avèrent être 3,27 ps (1,16 ps) et 1,64 ps (0,58 ps) à 300 K et 600 K, respectivement. Le ZT calculé sur la Fig. 6 suit une tendance à la hausse similaire à S2σ/τ. Le ZT de type p est supérieur au type n et va à l'encontre de la tendance observée dans les coefficients de transport électronique (voir Fig. 4). C'est le résultat du fait que les trous et les électrons ont des temps de relaxation différents. La relation ZT = S2T/(κe/σ + κl/σ), où κl/σ est influencé par τ, explique que des valeurs de τ plus grandes entraînent une plus grande ZT. Le ZT garantit des valeurs maximales de 3,36 (1,50) et 1,82 (0,71) à 600 K (300 K) pour les dopages de type p et de type n, respectivement. Dans l'étude précédente33, des simulations de dynamique moléculaire ab initio ont déterminé que le graphyne troué est thermiquement stable même à des températures plus élevées de 900 K, comme établi sur la base des simulations de dynamique moléculaire ab initio. Le ZT de type p à température ambiante du graphène troué est supérieur à celui du graphène troué (1,13)59 et significativement supérieur au graphène vierge (0,55 × 10–3)60 et au γ-graphyne (0,48)54.

Facteur de mérite calculé (ZT) de la graphie trouée.

Étant donné que des catalyseurs sans métal actifs et rentables, par opposition aux coûteux catalyseurs à base de Pt, pour HER sont nécessaires pour atteindre des systèmes énergétiques durables. Nous avons également découvert la réponse de holey graphyne à HER. Le descripteur standard de l'activité HER est l'énergie libre de Gibbs (ΔGH), qui est dérivée de l'énergie d'adsorption d'hydrogène. Dans le premier cas, l'atome H est adsorbé sur tous les 9 sites d'adsorption possibles (s1–s9 sur la figure 7a). L'atome H trouve le site s2 le plus favorable. Le ΔGH correspondant du site s2 est de 0,20 eV, ce qui est beaucoup plus petit que celui du graphène (1,41 eV)61, du phosphorène (1,25 eV)62 et du C3N4 (0,58 eV)63 et comparable au biphénylène (0,29 eV)61, voir Fig. 7b. En fait, ΔGH = 0 ressort comme une valeur optimale pour HER. Cependant, une valeur de |ΔGH|< 0,2 eV signifie la meilleure performance catalytique des matériaux pour l'activité HER64. Nous avons en outre engagé l'ingénierie des souches pour évaluer son impact sur ΔGH. On observe qu'une contrainte de compression de 2% améliore les performances catalytiques du graphyne troué en réduisant ΔGH à 0, 03 eV. De plus, la simulation de dynamique moléculaire ab initio assure la stabilité thermique de la graphie trouée adsorbée à l'hydrogène concernant les fluctuations de faible énergie le long du H intact et de la structure en feuille après un temps de 8 ps (voir Fig. 7c). Pour traiter les performances photocatalytiques de la graphie trouée, les positions des maxima de la bande de valence (VBM) et des minima de la bande de conduction (CBM) par rapport au niveau de vide ainsi que les potentiels de réduction H+/H2 et d'oxydation (O2/H2O) pour la séparation de l'eau sont présentés dans Figure 7d. Il est évident que le CBM est plus positif que le potentiel H+/H2, suggérant que la graphie trouée est un matériau potentiel pour la production d'hydrogène photocatalytique. En revanche, le VBM est supérieur au potentiel d'oxydation O2/H2O ; par conséquent, le graphène troué ne convient pas pour oxyder H2O en O2. Cependant, une ingénierie de bande appropriée pour déplacer le VBM vers le bas (par exemple, dopage, application d'une polarisation externe, hétérojonction, etc.) peut permettre la séparation de l'eau en H2 et O2.

( a ) La cellule unitaire de la graphie trouée avec les sites d'adsorption possibles (s1 à s9) de l'hydrogène. (b) Calcul de l'énergie libre de Gibbs (ΔGH) de l'adsorption d'hydrogène sur la graphie trouée. Les valeurs correspondantes sur le graphène [Ref. 61], C3N4 [Réf. 63], et le biphénylène [Réf. 61] sont également inclus à titre de comparaison. ( c ) La fluctuation de l'énergie totale lors de simulations de dynamique moléculaire ab-initio à 300 K aux côtés des structures initiales et finales de graphène troué adsorbé à l'hydrogène. Les sphères brunes et vertes représentent respectivement les atomes C et H. ( d ) Positions calculées du bord de la bande du graphène troué vierge et tendu (2% de contrainte de compression) par rapport au niveau de vide.

En utilisant les calculs des premiers principes, nous avons étudié les propriétés de transport thermique et l'activité catalytique HER de la graphie trouée, un matériau semi-conducteur avec une bande interdite directe de 1,0 eV. Les phonons étroitement emballés affichent des fréquences positives sur toute la zone de Brillouin, assurant la stabilité dynamique de la graphie trouée. La température ambiante |S| est aussi élevée que 300 μV/K à 1 × 1012 cm−2 (près de six fois celle du graphène). Les phonons acoustiques en flexion se couplent avec le mode de phonon optique le plus bas pour améliorer la diffusion phonon-phonon et éventuellement diminuer κl. La température ambiante estimée κl de 29,3 W/mK est ultra basse par rapport à celle du graphène (3000 W/mK), attribuée à sa faible rigidité de liaison. Grâce à l'ingénierie des nanostructures, κl est encore réduit d'un facteur quatre pour une taille de cristal d'environ 335 nm (110 nm) à 300 K (600 K). Le ZT de type p à température ambiante atteint une valeur maximale de 1,50, largement supérieure au graphène (0,55 × 10–3), démontrant ses performances thermoélectriques supérieures. Enfin, la graphie trouée ayant un faible surpotentiel et un CBM plus positif que le potentiel H+/H2, est également capable de catalyser HER.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Lewis, NS & Nocera, DG Alimenter la planète : Défis chimiques dans l'utilisation de l'énergie solaire. Proc. Natl. Acad. Sci. 103(43), 15729–15735. https://doi.org/10.1073/pnas.0603395103 (2006).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

GSR2018_Full-Report_English.

Kverndokk, S. Épuisement des combustibles fossiles et impact du réchauffement climatique ; Statistics Norway, Research Department : Oslo (1994). http://hdl.handle.net/10419/192091.

Kabeyi, MJB & Olanrewaju, OA Transition énergétique durable pour la production et la fourniture d'électricité renouvelable et à faible émission de carbone. Devant. Énergie Rés. https://doi.org/10.3389/fenrg.2021.743114 (2022).

Article Google Scholar

Dunn, S. L'avenir de l'hydrogène : vers un système énergétique durable. Int J. Hydrog. Énergie 27(3), 235–264. https://doi.org/10.1016/S0360-3199(01)00131-8 (2002).

Article CAS Google Scholar

Wu, H.-H. et coll. Triphosphates monocouches MP 3 (M = Sn, Ge) avec une excellente activité catalytique basale pour la réaction de dégagement d'hydrogène. Nanoscale 11(25), 12210–12219. https://doi.org/10.1039/C9NR03255J (2019).

Article CAS PubMed Google Scholar

Zhang, J., Sasaki, K., Sutter, E. & Adzic, RR Stabilisation d'électrocatalyseurs à réduction d'oxygène au platine à l'aide de grappes d'or. Science (1979) 315(5809), 220–222. https://doi.org/10.1126/science.1134569 (2007).

Article CAS Google Scholar

Tymoczko, J., Calle-Vallejo, F., Schuhmann, W. & Bandarenka, AS Rendre encore plus rapide la réaction de dégagement d'hydrogène dans les électrolyseurs à membrane à électrolyte polymère. Nat. Commun. 7(1), 10990. https://doi.org/10.1038/ncomms10990 (2016).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Sahoo, MR, Ray, A. & Singh, N. Aperçus théoriques sur la réaction de dégagement d'hydrogène sur les monocouches VGe 2 N 4 et NbGe 2 N 4 . ACS Oméga 7(9), 7837–7844. https://doi.org/10.1021/acsomega.1c06730 (2022).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Tendances récentes de la recherche sur les matériaux thermoélectriques II ; Semi-conducteurs et semi-métaux ; v. 70; Presse académique : San Diego (2001).

Snyder, GJ & Toberer, ES Matériaux thermoélectriques complexes. Nat. Mater. 7(2), 105–114. https://doi.org/10.1038/nmat2090 (2008).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Pei, J., Cai, B., Zhuang, H.-L. & Li, J.-F. Matériaux thermoélectriques appliqués à base de Bi2Te3 : avancées de la recherche et nouveaux défis. Natl. Sci. Rév. 7(12), 1856–1858. https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa259 (2020).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Novoselov, KS et al. Effet de champ électrique dans des films de carbone atomiquement minces. Sciences (1979) 306(5696), 666–669. https://doi.org/10.1126/science.1102896 (2004).

Article CAS Google Scholar

Allen, MJ, Tung, VC et Kaner, RB Carbone en nid d'abeille : un examen du graphène. Chim. Rév. 110(1), 132–145. https://doi.org/10.1021/cr900070d (2010).

Article CAS PubMed Google Scholar

Zhao, M., Dong, W. et Wang, A. Isolants topologiques en carbone bidimensionnel supérieurs au graphène. Sci. Rep. 3(1), 3532. https://doi.org/10.1038/srep03532 (2013).

Article ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Malko, D., Neiss, C., Viñes, F. & Görling, A. Compétition pour le graphène : Graphynes avec des cônes de dirac dépendants de la direction. Phys. Rév. Lett. 108(8), 086804. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.086804 (2012).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Zhang, X., Wei, L., Tan, J. et Zhao, M. Prédiction d'un allotrope de graphène ultradoux avec des cônes de dirac. Carbone NY 105, 323–329. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.04.058 (2016).

Article CAS Google Scholar

Jiang, J.-W. et coll. Graphène jumeau : un nouvel allotrope de carbone semi-conducteur bidimensionnel. Carbone NY 118, 370–375. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.03.067 (2017).

Article CAS Google Scholar

Zhang, W., Chai, C., Fan, Q., Song, Y. & Yang, Y. Allotropes de carbone bidimensionnels avec bandes interdites directes accordables et mobilité élevée des porteurs. Appl. Surf Sci. 537, 147885. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.147885 (2021).

Article CAS Google Scholar

Mahmood, J. et al. Structures bidimensionnelles trouées azotées. Nat. Commun. 6, 4–10. https://doi.org/10.1038/ncomms7486 (2015).

Article CAS Google Scholar

Mahmood, J. et al. Polyaniline bidimensionnelle (C 3 N) à partir de monocristaux organiques carbonisés à l'état solide. Proc. Natl. Acad. Sci. 113(27), 7414–7419. https://doi.org/10.1073/pnas.1605318113 (2016).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Fan, Q. et al. Nanorubans à topologie non alternée issus de la fusion de polyazulène : allotropes de carbone au-delà du graphène. Confiture. Chim. Soc. 141(44), 17713–17720. https://doi.org/10.1021/jacs.9b08060 (2019).

Article CAS PubMed Google Scholar

Li, Y. et al. Architecture et performances électrochimiques du squelette carboné naphtyle à liaison alcynyle : Naphyne. ACS Appl. Mater. Interfaces 12(29), 33076–33082. https://doi.org/10.1021/acsami.0c05741 (2020).

Article CAS PubMed Google Scholar

Pan, Q. et al. Synthèse directe de graphtetrayne cristallin - un nouvel allotrope de graphyne. CCS Chem. 3(4), 1368–1375. https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000377 (2021).

Article CAS Google Scholar

Fan, Q. et al. Réseau biphénylène : Un allotrope de carbone non benzénoïde. Sciences (1979) 372(6544), 852–856. https://doi.org/10.1126/science.abg4509 (2021).

Article CAS Google Scholar

Kim, BG & Choi, HJ Graphyne : Réseau hexagonal de carbone avec des cônes de dirac polyvalents. Phys Rev B 86(11), 115435. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.115435 (2012).

Article ADS CAS Google Scholar

Ouyang, T. et al. Énumération systématique des allotropes de graphie à basse énergie basée sur une stratégie de recherche contrainte par la coordination. Phys. Status Solidi (RRL) Rapid Res. Lett. 14(12), 2000437. https://doi.org/10.1002/pssr.202000437 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Kou, J., Zhou, X., Lu, H., Wu, F. & Fan, J. Graphyne comme membrane pour le dessalement de l'eau. Nanoscale 6(3), 1865–1870. https://doi.org/10.1039/C3NR04984A (2014).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Yan, P. et al. Allotrope de graphie nouvellement découvert avec une boucle de nœud de dirac rare et robuste. Nanoscale 13(6), 3564–3571. https://doi.org/10.1039/D0NR08397F (2021).

Article CAS PubMed Google Scholar

Ouyang, T. et al. Propriétés thermoélectriques des nanorubans et des nanojonctions gamma-graphyne. J. Appl. Phys. 114(7), 073710. https://doi.org/10.1063/1.4818616 (2013).

Article ADS CAS Google Scholar

Panigrahi, P. et al. Capteur de glucose bidimensionnel à base de graphène troué azoté (C2N) pour le diabète sucré. Appl. Le surf. Sci. 2021(573), 151579. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.151579 (2021).

Article CAS Google Scholar

Sajjad, M., Hussain, T., Singh, N. & Larsson, JA Ancrage supérieur des polysulfures de sodium au matériau polaire C2N 2D : un amplificateur potentiel d'électrode dans les batteries sodium-soufre. Langmuir 36(43), 13104–13111. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.0c02616 (2020).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Liu, X. et al. Construction de graphie trouée bidimensionnelle avec une extension π annulative inhabituelle. Affaire https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.04.033 (2022).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

James, A. et al. Graphynes : architectures nanoporeuses indispensables dans les plaines carbonées. RSC Adv. 8(41), 22998–23018. https://doi.org/10.1039/C8RA03715A (2018).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Al-Jayyousi, H. et al. Explorer les performances d'ancrage supérieures des nanofeuilles bidimensionnelles B2C4P2 et B3C2P3 pour les batteries lithium-soufre. ACS Oméga 7(43), 38543–38549. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c03898 (2022).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Al-Jayyousi, HK, Sajjad, M., Liao, K. & Singh, N. Biphénylène bidimensionnel : un matériau d'ancrage prometteur pour les batteries au lithium-soufre. Sci. Rep. 12(1), 4653. https://doi.org/10.1038/s41598-022-08478-5 (2022).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kresse, G. & Furthmüller, J. Efficacité des calculs d'énergie totale Ab-initio pour les métaux et les semi-conducteurs à l'aide d'un ensemble de base d'ondes planes. Calcul. Mater. Sci. 6(1), 15–50. https://doi.org/10.1016/0927-0256(96)00008-0 (1996).

Article CAS Google Scholar

Kresse, G. & Furthmüller, J. Schémas itératifs efficaces pour les calculs d'énergie totale Ab initio utilisant un ensemble de base d'ondes planes. Phys. Rév. B 54(16), 11169–11186. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.11169 (1996).

Article ADS CAS Google Scholar

Perdew, JP, Burke, K. & Ernzerhof, M. L'approximation de gradient généralisée simplifiée. Phys. Rév. Lett. 77(18), 3865–3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865 (1996).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Krukau, AV, Vydrov, OA, Izmaylov, AF & Scuseria, GE Influence du paramètre de criblage d'échange sur les performances des fonctionnelles hybrides criblées. J. Chem. Phys. 125(22), 224106. https://doi.org/10.1063/1.2404663 (2006).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Eriksson, F., Fransson, E. & Erhart, P. Le package hiphive pour l'extraction de constantes de force d'ordre élevé par apprentissage automatique. Adv. Théorie de la simulation. 2(5), 1800184. https://doi.org/10.1002/adts.201800184 (2019).

Article CAS Google Scholar

Madsen, GKH, Carrete, J. & Verstraete, MJ BoltzTraP2, un programme pour interpoler les structures de bande et calculer les coefficients de transport semi-classiques. Calcul. Phys. Commun. 231, 140–145. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2018.05.010 (2018).

Article ADS CAS Google Scholar

Li, W., Carrete, J., Katcho, A. & Mingo, N. ShengBTE : Un solveur de l'équation de transport de Boltzmann pour les phonons. Calcul. Phys. Commun. 185(6), 1747–1758. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2014.02.015 (2014).

Article ADS CAS MATH Google Scholar

Wang, B., Yan, X., Cui, X. & Cai, Y. Étude des premiers principes de la durée de vie des phonons et de la faible conductivité thermique du réseau de la monocouche γ-GeSe : une étude comparative. ACS Appl. Nano-matière. 5(10), 15441–15448. https://doi.org/10.1021/acsanm.2c03476 (2022).

Article CAS Google Scholar

Shu, Z. et al. Monocouche thermoélectrique haute performance γ-GeSe et sa famille isostructurale des monochalcogénures du groupe IV. Chim. Ing. J. 454, 140242. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140242 (2023).

Article CAS Google Scholar

Sajjad, M. & Singh, N. L'impact du couplage électron-phonon sur le facteur de mérite des monocouches ternaires Nb2SiTe4 et Nb2GeTe4. Phys. Chim. Chim. Phys. 23(29), 15613–15619 (2021).

Article CAS PubMed Google Scholar

Nørskov, JK et al. Tendances du courant d'échange pour l'évolution de l'hydrogène. J. Electrochem. Soc. 152(3), J23. https://doi.org/10.1149/1.1856988 (2005).

Article CAS Google Scholar

Mortazavi, B., Shojaei, F., Yagmurcukardes, M., Shapeev, AV & Zhuang, X. Réponses mécaniques, de conduction thermique, optiques et piézoélectriques anisotropes et exceptionnelles dans une nouvelle monocouche BCN semi-conductrice confirmée par les premiers principes et l'apprentissage automatique . Carbone NY 200, 500–509. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.08.077 (2022).

Article CAS Google Scholar

Mann, S. et al. Conductivité thermique du réseau du graphène pur et dopé (B, N). Mater. Rés. Express https://doi.org/10.1088/2053-1591/abb2cd (2020).

Article Google Scholar

Morelli, DT & Slack, GA Solides à haute conductivité thermique du réseau. Haute Therm. Conduire. Mater. 37, 68. https://doi.org/10.1007/0-387-25100-6_2 (2006).

Article Google Scholar

Li, L., Meller, G. & Kosina, H. Modèle de conductivité analytique pour les semi-conducteurs organiques dopés. J. Appl. Phys. https://doi.org/10.1063/1.2472282 (2007).

Article Google Scholar

Ali, M., Pi, X., Liu, Y. & Yang, D. Propriétés électroniques et thermoélectriques des super-réseaux C3Si3/C et C3Ge3/C atomiquement minces. Nanotechnologie https://doi.org/10.1088/1361-6528/aa9ebb (2018).

Article PubMed Google Scholar

Kumar, S., Sharma, S., Babar, V. & Schwingenschlögl, U. Conductivité thermique du réseau ultra-faible dans la monocouche C3N par rapport au graphène. J. Mater. Chim. Un Mater. 5(38), 20407–20411. https://doi.org/10.1039/c7ta05872a (2017).

Article CAS Google Scholar

Jiang, PH et al. Propriétés thermoélectriques de γ-graphyne à partir de calculs de premiers principes. Carbone NY 113, 108–113. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.11.038 (2017).

Article CAS Google Scholar

Ouyang, T. et al. Étude des premiers principes du transport thermique dans le graphène troué azoté. Nanotechnologie https://doi.org/10.1088/1361-6528/28/4/045709 (2017).

Article PubMed Google Scholar

Singh, DJ & Terasaki, I. Thermoélectrique : Nanostructuration et plus. Nat. Mater. 7(8), 616–617. https://doi.org/10.1038/nmat2243 (2008).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Mortazavi, B. et al. Potentiels interatomiques efficaces basés sur l'apprentissage automatique pour explorer la conductivité thermique dans les matériaux bidimensionnels. J.Phys. Mater. https://doi.org/10.1088/2515-7639/ab7cbb (2020).

Article Google Scholar

Zhao, Y., Dai, Z., Lian, C. & Meng, S. Comportement thermoélectrique exotique dans le graphène troué azoté. RSC Adv. 7(42), 25803–25810. https://doi.org/10.1039/c7ra03597g (2017).

Article ADS CAS Google Scholar

Singh, D., Shukla, V. & Ahuja, R. Excitations optiques et propriétés thermoélectriques du graphène troué bidimensionnel. Phys. Rév. B 102(7), 75444. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.075444 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Anno, Y., Imakita, Y., Takei, K., Akita, S. & Arie, T. Amélioration des performances thermoélectriques du graphène grâce à l'ingénierie des défauts. 2ème Mater. https://doi.org/10.1088/2053-1583/aa57fc (2017).

Article Google Scholar

Luo, Y. et al. Une première étude de principes sur les propriétés structurelles, mécaniques, électroniques et catalytiques du biphénylène. Sci. Rep. 11(1), 1–6. https://doi.org/10.1038/s41598-021-98261-9 (2021).

Article CAS Google Scholar

Cai, Y. et al. Conception du phosphorène pour des performances de dégagement d'hydrogène comparables au platine. Chim. Mater. 31(21), 8948–8956. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.9b03031 (2019).

Article CAS Google Scholar

Zheng, Y. et al. Dégagement d'hydrogène par un électrocatalyseur sans métal. Nat. Commun. 5(1), 3783. https://doi.org/10.1038/ncomms4783 (2014).

Article ADS PubMed Google Scholar

Huang, B., Zhou, N., Chen, X., Ong, W. & Li, N. Aperçu du mécanisme de réaction électrocatalytique d'évolution de l'hydrogène sur les carbonitrures de métaux de transition bidimensionnels (MXene). Chim. Un Eur. J. 24(69), 18479–18486. https://doi.org/10.1002/chem.201804686 (2018).

Article CAS Google Scholar

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NS reconnaît le soutien financier de l'Université des sciences et technologies de Khalifa dans le cadre de la subvention Emerging Science & Innovation Grant ESIG-2023-004. Les auteurs reconnaissent également la contribution des installations de calcul haute performance et de calcul de recherche de l'Université de Khalifa aux résultats de cette recherche.

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Muhammad Sajjad et Surabhi Suresh Nair.

Département de physique, Université des sciences et technologies de Khalifa, 127788, Abu Dhabi, Émirats arabes unis

Muhammad Sajjad, Surabhi Suresh Nair et Nirpendra Singh

Département de génie aérospatial, Université des sciences et technologies de Khalifa, 127788, Abu Dhabi, Émirats arabes unis

Yarjan Abdul Samad

Cambridge Graphene Centre, Département d'ingénierie, Université de Cambridge, Cambridge, Royaume-Uni

Yarjan Abdul Samad

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MS et SSN ont effectué les calculs et rédigé le projet original. YAS a révisé et édité le manuscrit. NS a créé l'idée et supervisé le projet et a finalement révisé le manuscrit.

Correspondance à Nirpendra Singh.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Sajjad, M., Nair, SS, Samad, YA et al. Figure de mérite colossale et activité catalytique convaincante de la graphie trouée. Sci Rep 13, 9123 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35016-8

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Reçu : 14 mars 2023

Accepté : 11 mai 2023

Publié: 05 juin 2023

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

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