Peningkatan Penyimpanan Hidrogen dalam WS₂: Wawasan Teoritis tentang Kinerja Bergantung Fase

Abstrak

Hidrogen adalah energi bersih dengan efisiensi tinggi, sementara masalah penyimpanan dan transportasi masih mencegah penggunaan yang luas. Karena luas permukaan spesifik yang besar dan struktur elektronik unik, material dua dimensi memiliki potensi besar dalam penyimpanan hidrogen. Khususnya, monolayer 2H-WS₂ telah terbukti cocok untuk penyimpanan hidrogen. Namun, hanya sedikit studi mengenai dua fase lain WS₂ (1T, 1T′) dalam penyimpanan hidrogen. Di sini, kami melakukan perhitungan first-principle untuk menyelidiki perilaku adsorpsi hidrogen dari ketiga fase WS₂. Studi adsorpsi hidrogen yang berulang juga mengevaluasi kemampuan penyimpanan hidrogen dari material-material ini. Hasil analisis komprehensif menunjukkan bahwa 1T′-WS₂ memiliki kinerja penyimpanan hidrogen yang lebih baik daripada 2H-WS₂, yang berarti teknik fase dapat menjadi cara efektif untuk meningkatkan kinerja penyimpanan hidrogen. Makalah ini memberikan referensi untuk studi lebih lanjut tentang penyimpanan hidrogen dalam material dua dimensi.

Pendahuluan

Penyimpanan hidrogen konvensional membawa risiko yang signifikan karena keingintahannya yang rendah, rentang kebakaran yang luas, dan kerapuhan pada baja [1, 2]. Meskipun hidrida logam, seperti CaH₂, dapat menyimpan sejumlah besar hidrogen, mereka tidak hanya terbakar saat basah tetapi juga mahal dan sulit untuk digunakan kembali. Oleh karena itu, pencarian material penyimpanan hidrogen yang aman, hemat biaya, dan efektif telah menjadi perhatian yang luas [3]. Karena luas permukaan spesifik yang besar dan properti elektronik unik, material dua dimensi (2D) telah digunakan secara luas di banyak bidang seperti pemecahan air fotokatalitik, reaksi evolusi hidrogen, transistor, perangkat elektroluminesensi, penyimpanan gas, dan adsorpsi gas [4,5,6,7,8,9]. Misalnya, adsorpsi hidrogen pada grafen melibatkan rehibridisasi orbital valensi karbon dengan mengubah ikatan C–C π menjadi ikatan C–H σ, yang dapat menginduksi bandgap dan momen magnetis di sekitar tingkat Fermi sehingga hidrogenasi grafen menawarkan kemungkinan yang menarik untuk secara langsung menulis sirkuit elektronik pada skala atom dengan pola yang telah dirancang [10]. Keberhasilan materi berbasis grafen juga telah memotivasi penelitian terhadap material 2D lain yang diterapkan dalam adsorpsi atau penyimpanan gas [11,12,13,14]. Yang lebih penting, material dikalogen logam transisi (TMD) monolayer terutama telah menunjukkan kinerja yang luar biasa dalam penyimpanan hidrogen [15].

Kapasitas penyimpanan hidrogen dapat dievaluasi oleh kekuatan adsorpsi molekul gas pada permukaan material [16]. Kekuatan adsorpsi tidak boleh terlalu kuat atau terlalu lemah karena molekul gas target sulit dipisahkan dari material di bawah gaya adsorpsi yang kuat atau tidak stabil di bawah gaya adsorpsi yang lemah [17]. Energi ikatan rata-rata per molekul hidrogen untuk material penyimpanan hidrogen yang sesuai adalah dari −0,2 hingga −0,6 eV pada suhu ruang (sekitar 25 °C) [12]. Namun, materi asli seperti grafen atau TMDs memiliki kelemahan bahwa gaya ikatannya terhadap molekul hidrogen terlalu lemah [18, 19]. Metode fungsionalisasi permukaan biasanya diambil untuk meningkatkan properti adsorpsi hidrogen mereka. Dengan proses doping atau dekorasi, karakteristik permukaan material 2D dapat diubah untuk sesuai dengan rentang energi adsorpsi hidrogen yang sedang, dan kinerja penyimpanan hidrogen dapat ditingkatkan lebih lanjut [20]. Namun, sulit untuk mempertahankan stabilitas sistem dekorasi [21, 22]. Dan sulit untuk melakukan doping atau dekorasi dengan akurat [23]. Metode ini secara teoritis feasible, tetapi jauh dari aplikasi.

Sebagai TMD tipikal, MoS₂ dan WS₂ telah membuktikan potensi aplikasi yang luar biasa dalam bidang penyimpanan hidrogen [24, 25]. Karena performa katalitik yang superior dan properti listrik unik, MoS₂ banyak mendapat perhatian di banyak area [26], dan WS₂ sering diabaikan. Dibandingkan dengan monolayer MoS₂, WS₂ memiliki stabilitas termal yang lebih baik [27, 28] dan energi ikatan yang lebih besar dengan molekul hidrogen di bawah tekanan kompresi [29]. Diketahui bahwa WS₂ juga memiliki dua fase lainnya (1T/1T′), yang memiliki simetri yang berbeda dan properti elektronik yang berbeda. Studi sebelumnya telah menunjukkan bahwa mereka dapat disiapkan dengan metode sederhana [30, 31]. Sebagian besar metode didasarkan pada transisi fase dari fase 2H WS₂ dan digabungkan dengan cara stabilisasi. Banyak studi telah menunjukkan pembuatan 1T/1T′-WS₂ dengan persentase tinggi dan stabil (Tabel S1). Akhir-akhirnya, 1T-WS₂ logam dan cabangnya 1T′-WS₂ telah menunjukkan potensi besar dalam aplikasi reaksi evolusi hidrogen (HER) [23, 32]. Hasil penelitian menunjukkan bahwa permukaannya memiliki kekuatan adsorpsi yang sedang terhadap reaksi intermediasi H*. Ini membuka jalan bagi aplikasi lain yang terkait dengan adsorpsi hidrogen seperti penyimpanan hidrogen. Namun, hanya sedikit studi yang berkaitan dengan properti penyimpanan hidrogen dari dua fase WS₂ ini. Pengaruh perbedaan fase terhadap penyimpanan hidrogen selalu diabaikan.

Dalam karya ini, kami menyelidiki ketiga fase WS₂ untuk membandingkan kesesuaiannya sebagai material penyimpanan hidrogen. Kami melakukan studi teoritis sistematis dari struktur dan menganalisis energi adsorpsi dan konfigurasi adsorpsi molekul gas. Untuk mensimulasikan kondisi kerja nyata, adsorpsi sejumlah besar molekul hidrogen telah diteliti. Dengan hasil perhitungan dalam karya ini, kami menemukan bahwa 1T′-WS₂ adalah calon terbaik di antara ketiga fase WS₂ ini sebagai material penyimpanan hidrogen. Mengubah fase WS₂ memberikan peningkatan dalam penyimpanan hidrogen. Oleh karena itu, ini dapat memberikan referensi untuk penelitian penyimpanan hidrogen oleh material dua dimensi dari sudut pandang fase.

Detail Komputasi

First-principle digunakan berdasarkan teori fungsi densitas (DFT). Semua perhitungan dalam karya ini dilakukan di Dmol3 [33]. Aproksimasi densitas lokal (LDA) digunakan untuk menangani potensi pertukaran dan korelasi dengan fungsi PWC. Potensi potensial tunggal digunakan untuk mengganti inti (DFT semi-core pseudopots) untuk mengurangi biaya komputasi. Akurasi yang lebih tinggi dicapai dengan memilih basis orbital numerik dual dan fungsi polarisasi orbital (DNP). Kemudian, sebuah tes konvergensi diberikan. Setelah tes, titik k Monkhorst-Pack diatur ke 4 × 4 × 1, kemudian membuat lapis vakum 20 Å untuk mencegah interaksi antar lapisan. Presisi konvergensi energi diatur ke 1 × 10⁻⁵ Hartree (1 Hartree = 27,212 eV), perpindahan maksimum adalah 0,005 Å, dan gaya atom tidak melebihi 0,002 Hartree/Å. Semua perhitungan berikutnya mengikuti properti-properti ini.

Untuk ketiga fase WS₂ (1T/1T′/2H), model perhitungan adalah supercell 4 × 4 monolayer WS₂. Struktur 1T-WS₂ dan 2H-WS₂ pertama kali dibuat oleh kami sendiri. Setelah pembuatan selesai, optimasi geometri dilakukan, termasuk optimasi unit. Dan 1T′-WS₂ dibangun berdasarkan 1T′-MoS₂ yang ada. Sementara 1T′-MoS₂ dibangun berdasarkan model 1T 2 × 2, satu atom hidrogen diatur sebagai joint kunci pada atom S dari 1T MoS₂. Kemudian, sistem diberikan optimasi geometri lagi. Setelah optimasi, atom hidrogen dihilangkan dan dioptimasi lagi untuk mendapatkan struktur 1T′-MoS₂ reguler. Setelah itu, semua atom Mo diganti oleh atom W dalam model 2 × 2, kemudian melalui optimasi geometri, termasuk optimasi sel lagi.

Dengan model WS₂ 2 × 2 yang dioptimasi, sebuah supercell monolayer WS₂ 4 × 4 dibangun. Seperti yang ditunjukkan pada Figure S1, model ketiga fase WS₂ ini berisi 32 atom S dan 16 atom W dalam sel. Karena 16 dari 25 atom W yang muncul dalam model fase 1T berada pada lokasi tepi atau sudut, jumlah atom W yang valid dalam sel tetap 16. Ikatan di antara setiap atom W dalam model 1T atau 2H sama sementara yang dalam 1T′-WS₂ tidak sama. Dengan ikatan W–W dalam 1T′-WS₂, susunan atom W terlihat seperti rantai zigzag.

Akibatnya, fase 1T′ juga disebut fase rantai zigzag dalam beberapa studi. Kami dapat menemukan unit ulang dalam ketiga struktur yang memiliki karakter yang sama. Seperti yang ditunjukkan pada ilustrasi Fig. 1, kotak hijau mewakili unit ulang dengan hanya atom W di tepi, sementara yang merah adalah yang dioutline oleh atom S. Karena perbedaan simetri, ukuran kotak hijau dalam model 1T′ hampir dua kali lebih besar dari yang ada dalam model 1T. Kotak merah dalam model 1T atau 1T′ adalah heksagon, tetapi dalam model 2H, itu adalah segitiga. Terdapat juga unit ulang yang serupa dalam struktur 1T dan 1T′-WS₂, seperti area persegi panjang biru pada Figure S1. Selain itu, elemen sumbu yang ditampilkan pada kotak merah dalam model 1T dan 1T′ juga dapat ditemukan pada Figure S1 dan itu juga dapat mewakili simetri struktur 1T dan 1T′-WS₂.

Struktur geometri, DOS, dan struktur band hasil dari a 2H-WS₂, b 1T-WS₂, dan c 1T′-WS₂; bola kuning mewakili S, dan bola glaucous mewakili W

Sebuah molekul hidrogen tunggal ditempatkan di atas sumbu c di atas bidang WS₂ untuk membentuk model adsorpsi hidrogen, dan beberapa situs adsorpsi dengan simetri geometri tinggi dipilih. Untuk kasus 1T-WS₂ yang ditunjukkan pada Figure S2 (b) dan (e), terdapat lima situs: tepat di atas atom S lapis atas, tepat di atas atom S lapis bawah, tepat di atas atom W, di atas ikatan atom W dan atom S lapis atas, di atas ikatan atom W dan atom S lapis bawah. Dan untuk 1T′-WS₂, enam situasi ini ditunjukkan pada Figure S2 (c) dan (f). Untuk 2H-WS₂ yang ditunjukkan pada Figure S2 (a) dan (d), terdapat empat situasi: tepat di atas situs atom S, tepat di atas situs atom W, di atas tengah atom W dan atom S situs, dan tepat di atas pusat struktur heksagon. Situs-situs ini dipilih karena merupakan situs simetri tinggi dari material ini. Setelah diberikan optimasi geometri dan perbandingan energi adsorpsi, situs adsorpsi stabil dapat ditemukan. Dan kami membedakan postur molekul hidrogen yang tersorot pada 1T′-WS₂ karena simetri strukturalnya yang relatif rendah. Molekul hidrogen diatur secara horizontal atau vertikal (seperti yang ditunjukkan pada Figure S3), yang menggandakan situasi. Setelah optimasi geometri, semua energi adsorpsi disajikan pada Tabel S2. Situs adsorpsi yang paling stabil dipilih sesuai dengan hasil energi adsorpsi. Untuk proses adsorpsi hidrogen, energi adsorpsi dihitung dengan fungsi berikut: E_ad = E_tot − E_mat − E_hyd, di mana E_tot adalah energi total dari ketiga fase WS₂ ini dengan molekul hidrogen yang tersorot, E_mat (energi material) mewakili energi total WS₂ asli, dan E_hyd mewakili energi total dari molekul hidrogen terisolasi. Menurut hubungan ini, nilai absolut E_ad yang lebih tinggi menghasilkan sistem adsorpsi yang lebih stabil. Gaya yang bekerja antara material dan molekul gas target juga dapat direfleksikan oleh nilai absolut E_ad. Gaya refleksi direpresentasikan oleh nilai positif dari E_ad, sementara nilai negatif merefleksikan gaya tarik. Meskipun energi adsorpsi yang tepat tidak dapat diperoleh dengan metode ini [34], ia dapat merefleksikan bentuk dan kekuatan interaksi antara hidrogen dan material yang menyerap. Seperti yang diperkenalkan di atas, energi adsorpsi ideal untuk aplikasi penyimpanan hidrogen untuk setiap molekul hidrogen adalah −0,2 hingga −0,6 eV/H₂ pada suhu ruang [35].

Hasil dan Pembahasan

Untuk semua model material ini, struktur dengan energi terendah dapat ditemukan setelah optimasi geometri. Panjang semua ikatan W–S dalam monolayer 1T-WS₂ dan 2H-WS₂ adalah masing-masing 2,428 Å dan 2,402 Å. Tetapi yang dalam 1T′-WS₂ tidak sama, yang memiliki panjang sekitar 2,453 Å, 2,410 Å, dan 2,490 Å. Dapat juga ditemukan bahwa ikatan W–W dalam model 1T′ yang dioptimasi memiliki panjang sekitar 2,784 Å. Struktur band dari ketiga fase WS₂ asli yang dioptimasi ditunjukkan pada Fig. 1. Untuk fase 1T logam, tidak ada bandgap. Dan untuk fase 1T′, ia memiliki struktur band semi-logam. Sementara dalam fase 2H, struktur band setuju dengan karakteristik semi-konduktor. PDOS dari ketiga model ini juga ditunjukkan pada Fig. 1. Dari hasil PDOS terlihat bahwa bentuk orbit S-p dan W-d paling mirip dengan total DOS dalam ketiga gambar ini, menunjukkan bahwa orbit S-p dan W-d berkontribusi pada total DOS, terutama untuk ketiga fase WS₂ ini. Tren hasil DOS dari 1T′-WS₂ sesuai dengan struktur band dan setuju dengan studi sebelumnya [32]. Posisi yang berbeda dari molekul hidrogen yang tersorot dibandingkan untuk menemukan yang paling stabil dalam ketiga model ini. Posisi dipilih sesuai dengan hasil E_ad dan muatan Hirschfeld dari situasi yang tercantum tentang molekul hidrogen tunggal yang tersorot dalam struktur ketiga fase ini (hasil E_ad dan muatan Hirschfeld ditunjukkan pada Fig. 2a–c dan Tabel S2). Untuk 1T WS₂, itu adalah situs 3, dan untuk 1T′-WS₂, itu adalah situs 1 (seperti yang ditunjukkan pada Fig. 2b, c), sedangkan untuk 2H-WS₂, itu adalah situs 3 (semua ditunjukkan pada Fig. 2a dan Tabel S2-S3). Berdasarkan hasil ini, pertama, fase 1T WS₂ tidak cocok untuk adsorpsi hidrogen karena E_ad untuk hidrogen pada 1T WS₂ jauh signifikan dari 0,6 eV (Tabel S2). Ini berarti akan terlalu sulit untuk melepaskan molekul hidrogen yang tersorot dari permukaan 1T WS₂. Menurut hasil ini, studi berikutnya tidak boleh memikirkan fase ini. Hasil E_ad dari fase 1T′ dan 2H adalah sekitar −0,27 eV, keduanya berada dalam rentang energi adsorpsi yang dapat diterapkan untuk aplikasi penyimpanan hidrogen.

Hasil energi adsorpsi sistem adsorpsi H₂ untuk a H₂ tunggal pada 2H-WS2, b dan c H₂ tunggal pada 1T′-WS₂; hasil PDOS dari situasi dengan yang terendah (kiri) atau yang tertinggi (kanan) E_ad dalam d model 2H dan itu dalam e model 1T′

Untuk membandingkan kedua fase ini lebih lanjut, analisis PDOS dilakukan, yang ditunjukkan pada Fig. 2d, e. Bagian kiri menunjukkan energi adsorpsi PDOS terendah dari kedua fase, sementara bagian kanan adalah dua yang tertinggi. Terdapat perbedaan kecil dalam kedua situasi energi terendah atau tertinggi. Dalam bagian kiri Fig. 2d, e (yang sesuai dengan energi adsorpsi terendah), puncak utama keduanya berada pada −3 hingga −5 eV. Sementara untuk bagian kanan (yang mewakili energi adsorpsi tertinggi), ia muncul antara −2,5 dan −6 eV. Penampilan ini berarti terdapat superposisi yang lebih besar antara PDOS molekul hidrogen dan WS₂, yang menunjukkan interaksi yang lebih kuat antara keduanya. Hasil ini setuju dengan hasil energi adsorpsi dengan baik. Namun, hasil PDOS untuk situasi molekul hidrogen tunggal masih tidak dapat secara baik mencerminkan perbedaan properti adsorpsi hidrogen antara kedua jenis material ini.

Oleh karena itu, kami telah melakukan studi tentang berbagai jumlah molekul hidrogen yang tersorot pada permukaan 1T′ dan 2H-WS₂. Seperti yang ditunjukkan pada Figure S4, kami menetapkan berbagai jumlah molekul hidrogen (16, 32, 48, dan 64) pada permukaan 1T′ dan 2H-WS₂. Untuk 1T′-WS₂, ketika jumlah molekul hidrogen di bawah 16, setiap molekul hidrogen ditempatkan pada posisi paling stabil (situs 1v). Mempertimbangkan pengaruh interaksi potensial antara beberapa molekul H₂, kami lebih lanjut membahas susunan H₂ ketika 2 atau 3 molekul H₂ tersorot pada 1T′-WS₂. Untuk dua molekul hidrogen, kami mempertimbangkan tiga situasi: situs berseberangan (2H₂-1), pada situs terpisah pada sisi yang sama (2H₂-2), dan pada situs terdekat pada sisi yang berbeda (2H₂-3). Untuk tiga molekul hidrogen, ada lima kasus: tiga situs berseberangan pada sisi yang sama (3H₂-1); dua berseberangan dan satu terpisah, semua pada sisi yang sama (3H₂-2); tiga terpisah pada sisi yang sama (3H₂-3); dua tetangga pada sisi yang sama dan satu pada sisi lain (3H₂-4); dan dua terpisah pada sisi yang sama dan satu pada sisi lain (3H₂-5). Adsorpsi yang dihitung untuk setiap kasus dibandingkan (Tabel S4). Hasilnya menunjukkan bahwa penempatan molekul hidrogen pada situs berseberangan 1T′-WS₂ akan membuat energi adsorpsi total lebih besar dari kasus terpisah. Artinya perubahan energi adsorpsi yang tidak teratur akan dibawa jika molekul H₂ ditempatkan secara acak bahkan pada situs adsorpsi yang sama. Namun, tidak ada pengaruh yang jelas ketika molekul hidrogen ditempatkan pada situs terdekat di sisi yang berbeda dari 1T′-WS₂. Berdasarkan hasil ini, molekul hidrogen ditempatkan sesuai dengan prinsip-prinsip berikut: ketika molekul H₂ di bawah 8, molekul hidrogen ditempatkan pada situs adsorpsi nonberseberangan pada salah satu sisi 1T′-WS₂; ketika jumlahnya 8 hingga 16, situs berseberangan tidak dapat dihindari. Situs adsorpsi berseberangan masih dihindari sebanyak mungkin. Ketika molekul hidrogen antara 17 dan 32, 16 dari mereka ditempatkan pada posisi paling stabil (situs 1v), dan sisanya ditempatkan secara vertikal di atas atom W (situs 3v). Ketika molekul hidrogen lebih dari 32, jarak di antara molekul hidrogen ini akan diberi prioritas untuk menghindari pembentukan kelompok molekul hidrogen, seperti yang ditunjukkan pada Figure S6. Dan kemudian, penempatan horizontal atau vertikal akan tergantung pada hasil energi adsorpsi molekul tunggal. Oleh karena itu, ketika H₂ antara 33 dan 48, 16 molekul pertama berada pada situs 1v, 16 molekul kedua berada pada situs 3v, dan sisanya berada pada situs 4h. Ketika jumlahnya di atas 48, 16 molekul pertama berada pada situs 1v, 16 molekul kedua berada pada situs 3v, 16 molekul ketiga berada pada situs 4h, dan sisanya berada pada situs 2h. Kami mencoba mengatur molekul hidrogen secara merata di kedua sisi struktur ini dan memastikan jarak di antara setiap molekul hidrogen cukup jauh. Dalam kondisi fase 2H, serupa dengan kasus 1T′-WS₂, ketika molekul hidrogen di bawah 32, masing-masing ditempatkan pada posisi paling stabil yang dibahas di atas (situs 3). Untuk menghindari efek inkonsistensi yang disebabkan oleh interaksi antara molekul hidrogen, molekul hidrogen ditempatkan pada situs nonberseberangan ketika jumlahnya kurang dari 16. Tetapi kami harus mencoba menghindari situs berseberangan ketika jumlahnya antara 17 dan 32. Ketika jumlahnya antara 33 dan 64, sisanya ditempatkan di tengah struktur heksagon (situs 4). Kami juga mencoba mendistribusikan semua molekul sesuai dengan prinsip yang disebutkan di atas. Di sisi lain, kami juga mempertimbangkan stabilitas sistem adsorpsi dengan konsentrasi molekul H₂ yang tinggi. Ketika molekul gas lebih dari 16, stabilitas keseluruhan sistem juga telah dieksplorasi oleh simulasi dinamika molekuler, yang disajikan pada Figure S7. Setelah 500 langkah simulasi dinamika molekuler, tidak ada keruntuhan geometri yang muncul, dan energi total juga tetap hampir konstan sehingga keseluruhan sistem memiliki stabilitas yang besar.

Energi adsorpsi terhadap molekul hidrogen dihitung setelah diberikan optimasi geometri. Seperti yang ditunjukkan pada Fig. 3, terlepas dari fase WS₂ mana, energi adsorpsi total meningkat hampir linier seiring bertambahnya jumlah molekul hidrogen. Ini berarti ketika jumlah molekul hidrogen meningkat, gaya interaksi antara material dan molekul yang tersorot tidak berubah banyak. Area hijau pada Fig. 3a menunjukkan area energi adsorpsi hidrogen yang sedang. Dapat ditemukan bahwa 2H-WS₂ keluar dari area ini lebih awal daripada fase 1T′. Ini berarti ketika jumlah molekul H₂ yang tersorot menjadi berlebihan, lebih banyak molekul hidrogen akan sulit untuk dilepaskan dari 2H-WS₂ daripada dari 1T′-WS₂, yang mengindikasikan kapasitas hidrogen yang lebih kecil. Kemudian juga, seperti yang ditunjukkan pada Fig. 3, jumlah molekul hidrogen untuk energi adsorpsi rata-rata dari molekul hidrogen yang tersorot berada dalam rentang −0,2 hingga −0,6 eV adalah di bawah 48 atau 55 dalam situasi fase 2H atau 1T′, masing-masing. Ini berarti kuantitas adsorpsi hidrogen teoritis yang wajar pada 2H-WS₂ dapat mencapai hingga 2,4 wt%, sementara pada fase 1T′, dapat mencapai hingga 2,7 wt%. Ini mengungkapkan bahwa mengubah fase dapat meningkatkan kinerja penyimpanan hidrogen WS₂ secara efektif. Energi adsorpsi rata-rata dari kedua jenis WS₂ menurun dan kemudian naik ketika tidak lebih dari 8. Mudah dipahami bahwa ketika material menyerap lebih banyak molekul gas, gaya interaksi rata-rata antara molekul gas dan material akan menjadi lebih lemah. Namun, ketika jumlah molekul hidrogen lebih dari 8, alasan peningkatan energi adsorpsi rata-rata masih tidak diketahui.

Grafik a energi adsorpsi total dan b energi adsorpsi rata-rata sebagai fungsi dari jumlah molekul hidungen yang tersorot pada 1T′- dan 2H-WS₂

Lakukan studi PDOS lagi, seperti yang ditunjukkan pada Fig. 4. Dapat ditemukan bahwa seiring bertambahnya jumlah molekul hidrogen, total PDOS dari molekul hidrogen yang tersorot menjadi tersebar dalam kedua fase WS₂ (terutama ketika jumlah molekul hidrogen lebih dari 16). Dan cakupan PDOS dari molekul hidrogen tunggal yang tersorot dalam sistem ini juga menjadi lebih luas. Namun, PDOS untuk atom W dan S tetap tidak berubah, yang mewakili stabilitas material ini ketika molekul hidungen tersorot. Hasilnya juga menunjukkan bahwa seiring bertambahnya jumlah molekul hidung, area tumpang tindih PDOS antara molekul hidung dan kedua molekul WS₂ meningkat.

Hasil PDOS sistem adsorpsi H₂ ganda untuk _{a semua dan b molekul hidung tunggal pada 2H-WS2 dan 1T′-WS2}

Interaksi antara molekul hidung dan WS₂ menjadi lebih kuat. Ini mengungkapkan alasan peningkatan energi adsorpsi rata-rata ketika jumlah molekul hidung yang tersorot menjadi lebih banyak.

Untuk menjelajahi lebih lanjut interaksi antara molekul hidung dan material, studi selisih densitas elektron (EDD) juga dilakukan. Seperti yang ditunjukkan pada Fig. 5 (peta rencana pada Figure S5), hasil EDD ketika 4, 16, 32, dan 64 molekul hidung tersorot pada 2H atau 1T′-WS₂ disajikan. Area oranye mewakili area nilai positif, yang menunjukkan kecenderungan untuk mendapatkan elektron. Sementara area biru berarti area negatif, yang mewakili depletasi elektron. Untuk 2H dan 1T′-WS₂, area oranye lebih cenderung muncul di dekat atom S, sementara area biru berada di dekat atom H. Kecenderungan ini menjadi lebih jelas ketika 32 atau 64 hidrogen tersorot, seperti yang ditunjukkan pada Fig. 5c, d, g, dan h. Dapat juga diamati bahwa terdapat area oranye dan biru di antara molekul hidung ketika lebih banyak molekul hidung tersorot, menunjukkan interaksi di antara molekul H₂ yang tersorot ada. Ini menambahkan gaya adsorpsi untuk setiap molekul hidung pada material, meningkatkan energi adsorpsi rata-rata. Selain itu, ada satu hal yang tidak dapat diabaikan bahwa area biru yang jelas dapat terlihat ketika lebih banyak molekul hidung tersorot pada 1T′-WS₂ (Fig. 5 g, h). Sementara dalam kasus 2H, fenomena ini tidak jelas. Ini menunjukkan bahwa atom W juga melalui proses redistribusi elektron. Dan atom W dalam 1T′-WS₂ cenderung menawarkan lebih banyak elektron untuk berbagi pasokan elektron yang terutama disediakan oleh molekul hidung daripada dalam kasus 2H-WS₂. Berdasarkan ini, gaya yang bekerja pada setiap molekul hidung melemah hingga sejauh mana. Ini bisa menjadi alasan mengapa 1T′-WS₂ dapat menampung lebih banyak molekul hidung daripada 2H-WS₂ dengan jaminan gaya adsorpsi rata-rata yang sedang.

Selisih densitas elektron dari a 4H₂ pada 2H-WS₂, b 16H₂ pada 2H-WS₂, c 32H₂ pada 2H-WS₂, d 64H₂ pada 2H-WS₂, e 4H₂ pada 1T′-WS₂, f 16H₂ pada 1T′-WS₂, g 32H₂ pada 1T′-WS₂, dan h 64H₂ pada 1T′-WS₂. Nilai isosurface diambil sebagai 0,002 e/Å

Kesimpulan

Dalam makalah ini, model adsorpsi hidrogen dari monolayer WS₂ 2H, 1T, dan 1T′ telah dikonstruksi. Kapasitas adsorpsi hidrogen mereka dieksplorasi dengan aproksimasi densitas lokal (LDA). Kemudian, dengan membandingkan energi adsorpsi ketika beberapa molekul hidrogen tersorot, ditemukan bahwa 1T′-WS₂ dapat mengandung lebih banyak molekul hidung daripada 2H-WS₂ sementara energi adsorpsi rata-rata berada dalam rentang sedang (−0,2 hingga −0,6 eV). Ia dapat mencapai rasio adsorpsi hidrogen yang wajar hingga 2,7 wt%, lebih dari pada 2H-WS₂, yang adalah 2,4 wt%, menunjukkan bahwa pengaruh fase sangat jelas untuk penyimpanan hidrogen, dan fase 1T′ WS₂ memiliki kapasitas hidrogen yang lebih besar daripada kontrapart 2H. Mempertimbangkan semua hasil yang dihitung dalam studi ini, fase 1T′ WS₂ adalah material yang cocok untuk aplikasi adsorpsi hidrogen. Ini dapat memberikan referensi teoritis untuk studi tentang material penyimpanan hidrogen yang terintegrasi tinggi.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua data sepenuhnya tersedia tanpa pembatasan.