Mechanism of hydrogen evolution reaction on 1T-MoS2 from first principles

ACS Catalysis

Volumn 6, Issue 8, 2016, Pages 4953-4961

  Tang, Qing ^a   Jiang, De En ^a  

^a UNIVERSITY OF CALIFORNIA   (United States)

Author keywords

1T MoS2; basal plane; catalytic activity; hydrogen evolution reaction; substitutional doping; Volmer Heyrovsky mechanism

Indexed keywords

BINDING ENERGY; BINDING SITES; BINS; CALCULATIONS; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; FREE ENERGY; MANGANESE; MOLYBDENUM COMPOUNDS; TRANSITION METALS;

1T MOS2; BASAL PLANES; BINDING FREE ENERGY; CATALYTIC MECHANISMS; ELEMENTARY STEPS; FIRST PRINCIPLES; HYDROGEN EVOLUTION REACTIONS; TRANSITION METAL DICHALCOGENIDES;

CATALYST ACTIVITY;

EID: 84981297842     PISSN: None     EISSN: 21555435     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/acscatal.6b01211     Document Type: Article

References (78)

1. Walter, M. G.; Warren, E. L.; McKone, J. R.; Boettcher, S. W.; Mi, Q.; Santori, E. A.; Lewis, N. S. Chem. Rev. 2010, 110, 6446-6473 10.1021/cr1002326
2. Cook, T. R.; Dogutan, D. K.; Reece, S. Y.; Surendranath, Y.; Teets, T. S.; Nocera, D. G. Chem. Rev. 2010, 110, 6474-6502 10.1021/cr100246c
3. Abbas, M. A.; Bang, J. H. Chem. Mater. 2015, 27, 7218-7235 10.1021/acs.chemmater.5b03331
4. Faber, M. S.; Jin, S. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 3519-3542 10.1039/C4EE01760A
5. Zou, X.; Zhang, Y. Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 5148-5180 10.1039/C4CS00448E
6. Artero, V.; Chavarot-Kerlidou, M.; Fontecave, M. Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50, 7238-7266 10.1002/anie.201007987
7. Du, P.; Eisenberg, R. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 6012-6021 10.1039/c2ee03250c
8. Popczun, E. J.; McKone, J. R.; Read, C. G.; Biacchi, A. J.; Wiltrout, A. M.; Lewis, N. S.; Schaak, R. E. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 9267-9270 10.1021/ja403440e
9. Popczun, E. J.; Read, C. G.; Roske, C. W.; Lewis, N. S.; Schaak, R. E. Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53, 5427-5430 10.1002/anie.201402646
10. Wan, C.; Regmi, Y. N.; Leonard, B. M. Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53, 6407-6410 10.1002/anie.201402998
11. Chen, W.-F.; Sasaki, K.; Ma, C.; Frenkel, A. I.; Marinkovic, N.; Muckerman, J. T.; Zhu, Y.; Adzic, R. R. Angew. Chem., Int. Ed. 2012, 51, 6131-6135 10.1002/anie.201200699
12. Zhuo, J.; Wang, T.; Zhang, G.; Liu, L.; Gan, L.; Li, M. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 10867-10870 10.1002/anie.201305328
13. Das, R. K.; Wang, Y.; Vasilyeva, S. V.; Donoghue, E.; Pucher, I.; Kamenov, G.; Cheng, H.-P.; Rinzler, A. G. ACS Nano 2014, 8, 8447-8456 10.1021/nn5030225
14. Sathe, B. R.; Zou, X.; Asefa, T. Catal. Sci. Technol. 2014, 4, 2023-2030 10.1039/c4cy00075g
15. Duan, J.; Chen, S.; Jaroniec, M.; Qiao, S. Z. ACS Nano 2015, 9, 931-940 10.1021/nn506701x
16. Zheng, Y.; Jiao, Y.; Zhu, Y.; Li, L. H.; Han, Y.; Chen, Y.; Du, A.; Jaroniec, M.; Qiao, S. Z. Nat. Commun. 2014, 5, 3783 10.1038/ncomms4783
17. Caban-Acevedo, M.; Stone, M. L.; Schmidt, J. R.; Thomas, J. G.; Ding, Q.; Chang, H. C.; Tsai, M. L.; He, J. H.; Jin, S. Nat. Mater. 2015, 14, 1245-1251 10.1038/nmat4410
18. Merki, D.; Hu, X. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 3878-3888 10.1039/c1ee01970h
19. Yan, Y.; Xia, B.; Xu, Z.; Wang, X. ACS Catal. 2014, 4, 1693-1705 10.1021/cs500070x
20. Lv, R.; Robinson, J. A.; Schaak, R. E.; Sun, D.; Sun, Y.; Mallouk, T. E.; Terrones, M. Acc. Chem. Res. 2015, 48, 56-64 10.1021/ar5002846
21. Hinnemann, B.; Moses, P. G.; Bonde, J.; Jorgensen, K. P.; Nielsen, J. H.; Horch, S.; Chorkendorff, I.; Norskov, J. K. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 5308-5309 10.1021/ja0504690
22. Jaramillo, T. F.; Jorgensen, K. P.; Bonde, J.; Nielsen, J. H.; Horch, S.; Chorkendorff, I. Science 2007, 317, 100-102 10.1126/science.1141483
23. Tan, S. M.; Ambrosi, A.; Sofer, Z.; Huber, S.; Sedmidubsky, D.; Pumera, M. Chem.-Eur. J. 2015, 21, 7170-7178 10.1002/chem.201500435
24. Li, Y.; Wang, H.; Xie, L.; Liang, Y.; Hong, G.; Dai, H. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 7296-7299 10.1021/ja201269b
25. Karunadasa, H. I.; Montalvo, E.; Sun, Y.; Majda, M.; Long, J. R.; Chang, C. J. Science 2012, 335, 698-702 10.1126/science.1215868
26. Kibsgaard, J.; Chen, Z.; Reinecke, B. N.; Jaramillo, T. F. Nat. Mater. 2012, 11, 963-969 10.1038/nmat3439
27. Kong, D.; Wang, H.; Cha, J. J.; Pasta, M.; Koski, K. J.; Yao, J.; Cui, Y. Nano Lett. 2013, 13, 1341-1347 10.1021/nl400258t
28. Chang, Y.-H.; Lin, C.-T.; Chen, T.-Y.; Hsu, C.-L.; Lee, Y.-H.; Zhang, W.; Wei, K.-H.; Li, L.-J. Adv. Mater. 2013, 25, 756-760 10.1002/adma.201202920
29. Xie, J.; Zhang, H.; Li, S.; Wang, R.; Sun, X.; Zhou, M.; Zhou, J.; Lou, X. W.; Xie, Y. Adv. Mater. 2013, 25, 5807-5813 10.1002/adma.201302685
30. Tsai, C.; Abild-Pedersen, F.; Norskov, J. K. Nano Lett. 2014, 14, 1381-1387 10.1021/nl404444k
31. Tsai, C.; Chan, K.; Abild-Pedersen, F.; Norskov, J. K. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 13156-13164 10.1039/c4cp01237b
32. Benson, J.; Li, M.; Wang, S.; Wang, P.; Papakonstantinou, P. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 14113-14122 10.1021/acsami.5b03399
33. Gao, M.-R.; Liang, J.-X.; Zheng, Y.-R.; Xu, Y.-F.; Jiang, J.; Gao, Q.; Li, J.; Yu, S.-H. Nat. Commun. 2015, 6, 5982 10.1038/ncomms6982
34. Eng, A. Y. S.; Ambrosi, A.; Sofer, Z.; Šimek, P.; Pumera, M. ACS Nano 2014, 8, 12185-12198 10.1021/nn503832j
35. Chia, X.; Ambrosi, A.; Sofer, Z.; Luxa, J.; Pumera, M. ACS Nano 2015, 9, 5164-5179 10.1021/acsnano.5b00501
36. Voiry, D.; Salehi, M.; Silva, R.; Fujita, T.; Chen, M.; Asefa, T.; Shenoy, V. B.; Eda, G.; Chhowalla, M. Nano Lett. 2013, 13, 6222-6227 10.1021/nl403661s
37. Maitra, U.; Gupta, U.; De, M.; Datta, R.; Govindaraj, A.; Rao, C. N. R. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 13057-13061 10.1002/anie.201306918
38. Lukowski, M. A.; Daniel, A. S.; Meng, F.; Forticaux, A.; Li, L.; Jin, S. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 10274-10277 10.1021/ja404523s
39. Liu, Q.; Li, X.; He, Q.; Khalil, A.; Liu, D.; Xiang, T.; Wu, X.; Song, L. Small 2015, 11, 5556-5564 10.1002/smll.201501822
40. Eda, G.; Yamaguchi, H.; Voiry, D.; Fujita, T.; Chen, M. W.; Chhowalla, M. Nano Lett. 2011, 11, 5111-5116 10.1021/nl201874w
41. Voiry, D.; Goswami, A.; Kappera, R.; Castro e Silva, C. d. C.; Kaplan, D.; Fujita, T.; Chen, M.; Asefa, T.; Chhowalla, M. Nat. Chem. 2015, 7, 45-49 10.1038/nchem.2108
42. Tang, Q.; Jiang, D. E. Chem. Mater. 2015, 27, 3743-3748 10.1021/acs.chemmater.5b00986
43. Ambrosi, A.; Sofer, Z.; Pumera, M. Small 2015, 11, 605-612 10.1002/smll.201400401
44. Voiry, D.; Yamaguchi, H.; Li, J.; Silva, R.; Alves, D. C. B.; Fujita, T.; Chen, M.; Asefa, T.; Shenoy, V. B.; Eda, G.; Chhowalla, M. Nat. Mater. 2013, 12, 850-855 10.1038/nmat3700
45. Lukowski, M. A.; Daniel, A. S.; English, C. R.; Meng, F.; Forticaux, A.; Hamers, R. J.; Jin, S. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2608-2613 10.1039/C4EE01329H
46. Ambrosi, A.; Sofer, Z.; Pumera, M. Chem. Commun. 2015, 51, 8450-8453 10.1039/C5CC00803D
47. Fan, X.-L.; Yang, Y.; Xiao, P.; Lau, W.-M. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 20545-20551 10.1039/C4TA05257A
48. Tsai, C.; Chan, K.; Norskov, J. K.; Abild-Pedersen, F. Surf. Sci. 2015, 640, 133-140 10.1016/j.susc.2015.01.019
49. Lin, S.-H.; Kuo, J.-L. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 17, 29305-29310 10.1039/C5CP04760A
50. Putungan, D. B.; Lin, S.-H.; Kuo, J.-L. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 17, 21702-21708 10.1039/C5CP03799A
51. Gao, G.; Jiao, Y.; Ma, F.; Jiao, Y.; Waclawik, E.; Du, A. J. Phys. Chem. C 2015, 119, 13124-13128 10.1021/acs.jpcc.5b04658
52. Pandey, M.; Vojvodic, A.; Thygesen, K. S.; Jacobsen, K. W. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 2669-2670 10.1021/acs.jpclett.5b01299
53. Chen, X.; Gu, Y.; Tao, G.; Pei, Y.; Wang, G.; Cui, N. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 18898-18905 10.1039/C5TA02817E
54. Fan, X.; Wang, S.; An, Y.; Lau, W. J. Phys. Chem. C 2016, 120, 1623-1632 10.1021/acs.jpcc.5b10709
55. Kresse, G.; Furthmuller, J. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1996, 54, 11169-11186 10.1103/PhysRevB.54.11169
56. Blochl, P. E. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1994, 50, 17953-17979 10.1103/PhysRevB.50.17953
57. Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865-3868 10.1103/PhysRevLett.77.3865
58. Grimme, S.; Antony, J.; Ehrlich, S.; Krieg, H. J. Chem. Phys. 2010, 132, 154104 10.1063/1.3382344
59. Henkelman, G.; Uberuaga, B. P.; Jonsson, H. J. Chem. Phys. 2000, 113, 9901-9904 10.1063/1.1329672
60. Atkins, P. Physical Chemistry. 10 th ed.; Oxford University Press: Oxford, U.K., 2014; pp 1-1008.
61. Greeley, J.; Jaramillo, T. F.; Bonde, J.; Chorkendorff, I. B.; Norskov, J. K. Nat. Mater. 2006, 5, 909-913 10.1038/nmat1752
62. Skulason, E.; Karlberg, G. S.; Rossmeisl, J.; Bligaard, T.; Greeley, J.; Jonsson, H.; Norskov, J. K. Phys. Chem. Chem. Phys. 2007, 9, 3241-3250 10.1039/B700099E
63. Rossmeisl, J.; Skulason, E.; Bjorketun, M. E.; Tripkovic, V.; Norskov, J. K. Chem. Phys. Lett. 2008, 466, 68-71 10.1016/j.cplett.2008.10.024
64. Skulason, E.; Tripkovic, V.; Bjorketun, M. E.; Gudmundsdottir, S.; Karlberg, G.; Rossmeisl, J.; Bligaard, T.; Jonsson, H.; Norskov, J. K. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 18182-18197 10.1021/jp1048887
65. Conway, B. E.; Tilak, B. V. Electrochim. Acta 2002, 47, 3571-3594 10.1016/S0013-4686(02)00329-8
66. Shinagawa, T.; Garcia-Esparza, A. T.; Takanabe, K. Sci. Rep. 2015, 5, 13801 10.1038/srep13801
67. Huang, Y.; Nielsen, R. J.; Goddard, W. A., III; Soriaga, M. P. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 6692-6698 10.1021/jacs.5b03329
68. Brorson, M.; Carlsson, A.; Topsøe, H. Catal. Today 2007, 123, 31-36 10.1016/j.cattod.2007.01.073
69. Yoosuk, B.; Kim, J. H.; Song, C.; Ngamcharussrivichai, C.; Prasassarakich, P. Catal. Today 2008, 130, 14-23 10.1016/j.cattod.2007.07.003
70. Berhault, G.; Perez De la Rosa, M.; Mehta, A.; Yácaman, M. J.; Chianelli, R. R. Appl. Catal., A 2008, 345, 80-88 10.1016/j.apcata.2008.04.034
71. Merki, D.; Vrubel, H.; Rovelli, L.; Fierro, S.; Hu, X. L. Chem. Sci. 2012, 3, 2515-2525 10.1039/c2sc20539d
72. Lv, X. J.; She, G. W.; Zhou, S. X.; Li, Y. M. RSC Adv. 2013, 3, 21231-21236 10.1039/c3ra42340a
73. Deng, J.; Li, H. B.; Xiao, J. P.; Tu, Y. C.; Deng, D. H.; Yang, H. X.; Tian, H. F.; Li, J. Q.; Ren, P. J.; Bao, X. H. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 1594-1601 10.1039/C5EE00751H
74. Dai, X. P.; Du, K. L.; Li, Z. Z.; Liu, M. Z.; Ma, Y. D.; Sun, H.; Zhang, X.; Yang, Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 27242-27253 10.1021/acsami.5b08420
75. Tedstone, A. A.; Lewis, D. J.; O'Brien, P. Chem. Mater. 2016, 28, 1965-1974 10.1021/acs.chemmater.6b00430
76. Xie, J. F.; Zhang, J. J.; Li, S.; Grote, F.; Zhang, X. D.; Zhang, H.; Wang, R. X.; Lei, Y.; Pan, B. C.; Xie, Y. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 17881-17888 10.1021/ja408329q
77. Zhang, X.; Meng, F.; Mao, S.; Ding, Q.; Shearer, M. J.; Faber, M. S.; Chen, J.; Hamers, R. J.; Jin, S. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 862-868 10.1039/C4EE03240C
78. Gao, G. P.; Jiao, Y.; Ma, F. X.; Jiao, Y. L.; Waclawik, E.; Du, A. J. J. Catal. 2015, 332, 149-155 10.1016/j.jcat.2015.10.006