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Jul 19, 2023

Figura colossal de mérito e atividade catalítica HER convincente de holey graphyne

Relatórios Científicos volume 13,

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9123 (2023) Cite este artigo

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Detalhes das métricas

Aqui, realizamos um estudo abrangente para descobrir as propriedades de transporte térmico e a atividade catalítica da reação de evolução do hidrogênio do grafeno holey sintetizado recentemente. Nossos achados revelam que o holey graphyne tem um bandgap direto de 1,00 eV usando o funcional de troca-correlação HSE06. A ausência de frequências imaginárias de fônons na dispersão de fônons garante sua estabilidade dinâmica. A energia de formação do grafeno holey acaba sendo − 8,46 eV/átomo, comparável ao grafeno (− 9,22 eV/átomo) e h-BN (− 8,80 eV/átomo). A 300 K, o coeficiente de Seebeck chega a 700 μV/K em uma concentração de portadores de 1 × 1010 cm-2. A condutividade térmica da rede à temperatura ambiente prevista (κl) de 29,3 W/mK é substancialmente menor que o grafeno (3.000 W/mK) e quatro vezes menor que o C3N (128 W/mK). Com cerca de 335 nm de espessura, a temperatura ambiente κl diminui em 25%. A figura de mérito do tipo p calculada (ZT) atinge um máximo de 1,50 a 300 K, superior à do grafeno holey (ZT = 1,13), γ-graphyne (ZT = 0,48) e grafeno puro (ZT = 0,55 × 10 –3). Ele aumenta ainda mais para 3,36 a 600 K. Esses valores colossais de ZT tornam o grafeno holey um atraente material termoelétrico do tipo p. Além disso, o grafeno holey é um potencial catalisador de HER com baixo sobrepotencial de 0,20 eV, que reduz ainda mais para 0,03 eV a 2% de deformação compressiva.

A população em rápido crescimento e o desenvolvimento da infraestrutura estão por trás da crescente demanda de energia, que aumentará ainda mais de 23 Terawatts em 2030 para 30 Terawatts em 20501. De acordo com as estatísticas da Comunidade Global de Energia Renovável (REN21), quase 80% da energia total depende de energia convencional recursos energéticos e fontes de energia renováveis ​​somam apenas os 20%2 restantes. Uma dependência excessiva de combustíveis fósseis causa aquecimento global e questões ambientais destrutivas3. Tem havido um esforço mundial para encontrar alternativas sustentáveis ​​e limpas aos combustíveis fósseis para combater esses problemas4. Entre as fontes de energia renováveis ​​naturais, o hidrogênio é uma fonte de energia sustentável ideal devido à sua alta densidade de energia e ao meio ambiente5. No entanto, catalisadores à base de metais preciosos e menos abundantes têm sido usados ​​para a produção de hidrogênio6, impedindo sua utilização generalizada7. Portanto, explorar novos catalisadores livres de metal é uma rota viável para a produção em massa de hidrogênio8,9. Os geradores termoelétricos também são excelentes alternativas para recursos energéticos limpos e renováveis, considerando a abundância de calor residual acompanhado de manutenção pouco frequente e longa vida útil do dispositivo, uma vez que não há partes móveis envolvidas na tecnologia10,11. Embora o Bi2Te3 tenha sido amplamente utilizado em geradores termoelétricos, a toxicidade e a escassez do telúrio restringem seu uso12. Além disso, a condução bipolar suprime a figura de mérito do Bi2Te3 acima de 450 K devido ao seu estreito bandgap12. Portanto, materiais abundantes e não tóxicos com bandgap razoável seriam uma escolha ideal.

Desde a realização experimental do grafeno13, grande atenção tem sido dedicada a outros alótropos de carbono bidimensionais (2D) devido às suas propriedades físicas peculiares14, estados topológicos15, cones de Dirac sem massa16,17 e comportamento semicondutor18,19. O grafeno com orifícios nitrogenados porosos20, polianilina21, phagraphene22, naphyne23, graphtetrayne24 e bifenileno25 são alguns exemplos de alótropos de carbono 2D sintetizados experimentalmente.

Dentre estes, o grafeno, com átomos de carbono hibridizados sp e sp2 variáveis, constitui uma das maiores famílias de alótropos do grafeno26. Eles possuem flexibilidade excepcional, alta mobilidade de portadores, uma estrutura de banda eletrônica caracterizada por cone de Dirac, adsorção eficiente de íons e seletividade molecular devido a estruturas porosas e condutividade térmica reduzida devido a ligações acetilênicas com estado sp27,28,29,30,31,32 . Recentemente, a técnica bottom-up foi empregada para sintetizar um alótropo de carbono 2D ultrafino chamado holey graphyne33. A nanofolha apresenta excelente estabilidade mecânica, térmica e dinâmica. Ao contrário do grafeno, é um semicondutor bandgap direto com alta mobilidade de portadores (promissor para aplicações em optoeletrônica) e possui átomos de carbono hibridizados sp e sp2 distribuindo uniformemente as arquiteturas porosas (favorável para separação de gás, dessalinização de água, armazenamento de energia e catálise)34. A grafina holey também pode ser considerada um material de ancoragem em baterias de metal-enxofre, assim como outros materiais com estruturas cristalinas semelhantes já pesquisados ​​para esse fim35,36. No entanto, até onde sabemos, nenhuma dessas aplicações do holey graphyne foi descoberta até agora. Aqui, realizamos um estudo abrangente para explorar seu potencial em termoeletricidade e produção de H2. Pela presença de ligação distinta única, κl é antecipado para ser menor no grafeno holey em comparação com os outros materiais 2D planos da família do grafeno, resultando em uma figura de mérito termoelétrica aprimorada. Por outro lado, a variação na densidade de carga de ligação acompanhada por um plano altamente poroso, que aumenta o número de sítios reativos, o torna uma excelente escolha para catálise.