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Jul 19, 2023

ホーリーグラフィンの巨大な性能指数と説得力のある HER 触媒活性

Rapporti scientifici Volume 13,

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9123 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

ここで、我々は、最近合成されたホーリーグラフィンの熱輸送特性と水素発生反応触媒活性を明らかにするために包括的な研究を実施しました。 我々の発見は、HSE06 交換相関関数を使用して、ホーリーグラフィンが 1.00 eV の直接バンドギャップを持つことを明らかにしました。 フォノン分散には虚数フォノン周波数が存在しないため、その動的安定性が保証されます。 穴のあるグラフィンの形成エネルギーは - 8.46 eV/原子であることが判明し、グラフェン (- 9.22 eV/原子) や h-BN (- 8.80 eV/原子) に匹敵します。 300 K では、キャリア濃度 1 × 1010 cm-2 でゼーベック係数は 700 μV/K と高くなります。 予測される室温格子熱伝導率 (κl) 29.3 W/mK は、グラフェン (3000 W/mK) よりも大幅に低く、C3N (128 W/mK) より 4 倍小さいです。 約 335 nm の厚さでは、室温 κl は 25% 抑制されます。 計算された p 型性能指数 (ZT) は 300 K で最大 1.50 に達し、穴のあるグラフェン (ZT = 1.13)、γ-グラフェン (ZT = 0.48)、および純粋なグラフェン (ZT = 0.55 × 10) の値よりも高くなります。 –3)。 さらに、600 K で 3.36 までスケールアップします。このような巨大な ZT 値により、ホーリーグラフィンは魅力的な p 型熱電材料になります。 それに加えて、ホーリーグラフィンは、0.20 eV という低い過電圧を備えた潜在的な HER 触媒であり、2% の圧縮歪みではさらに 0.03 eV に低下します。

急速な人口増加とインフラ開発がエネルギー需要の増加の背景にあり、需要は 2030 年の 23 テラワットから 2050 年には 30 テラワットへとさらに増加すると予想されています1。世界再生可能エネルギーコミュニティ (REN21) の統計によると、総エネルギーのほぼ 80% が従来型エネルギーに依存しています。エネルギー資源と再生可能エネルギー源は残りの 20% を追加するだけです2。 化石燃料への過度の依存は、地球温暖化と破壊的な環境問題を引き起こします3。 このような問題に対処するために、化石燃料に代わる持続可能でクリーンな代替燃料を見つけようとする動きが世界中で行われています4。 自然再生可能エネルギー源の中でも、水素はエネルギー密度が高く環境に優しいため、理想的な持続可能なエネルギー源です5。 しかし、水素製造には貴重で存在量が少ない金属ベースの触媒が使用されており6、その広範な利用が妨げられています7。 したがって、新規の金属を含まない触媒を探索することは、水素を大量生産するための実行可能な手段となります8,9。 熱電発電機は、可動部品が技術に含まれていないため、メンテナンスの頻度が低く、装置寿命が長いことを伴う豊富な廃熱を考慮すると、クリーンで再生可能なエネルギー資源の優れた代替手段でもあります10,11。 Bi2Te3 は熱電発電機に広く使用されていますが、テルルの毒性と希少性により、その使用は制限されています 12。 さらに、バイポーラ伝導はバンドギャップが狭いため、Bi2Te3 の性能指数が 450 K 以上で​​抑制されます 12。 したがって、適度なバンドギャップを備えた、豊富で非毒性の材料が最適な選択となります。

グラフェン 13 が実験的に実現されて以来、その独特の物理的性質 14、トポロジカル状態 15、質量のないディラック錐体 16、17、および半導体挙動 18、19 により、他の二次元 (2D) 炭素同素体に多大な注目が集まってきました。 多孔質の窒素化された穴の開いたグラフェン 20、ポリアニリン 21、ファグラフェン 22、ナフィン 23、グラテトレイン 24、およびビフェニレン 25 は、実験的に合成された 2D 炭素同素体の数例です。

これらの中で、さまざまな sp および sp2 混成炭素原子を持つグラフェンは、グラフェン同素体の最大のファミリーの 1 つを構成します 26。 これらは、並外れた柔軟性、高いキャリア移動度、ディラックコーンを特徴とする電子バンド構造、多孔質構造によるイオンの効率的な吸着と分子選択性、sp 状態とのアセチレン結合による熱伝導率の低下を備えています27、28、29、30、31、32。 。 最近、ボトムアップ技術を使用して、ホーリーグラフィンと呼ばれる極薄 2D 炭素同素体が合成されました 33。 ナノシートは、優れた機械的、熱的、動的安定性を示します。 グラフェンとは異なり、これは高いキャリア移動度を備えた直接バンドギャップ半導体（オプトエレクトロニクスへの応用が期待されている）であり、多孔質構造に均一に分布する sp および sp2 混成炭素原子を備えています（ガス分離、水の脱塩、エネルギー貯蔵、および触媒作用に有利です）34。 ホーリーグラフィンは、この目的で以前に研究された同様の結晶構造を持つ他の材料と同様に、金属硫黄電池のアンカー材料ともみなされる可能性があります35,36。 しかし、私たちの知る限りでは、穴のあるグラフィンのこれらの応用はこれまでのところ発見されていません。 ここで、私たちは熱電と水素生成におけるその可能性を探るために包括的な研究を実施しました。 独特の明確な結合の存在により、グラフェンファミリーの他の平坦な 2D 材料と比較して、有孔グラフェンでは κl が低く、その結果、熱電性能指数が向上すると予想されます。 一方で、結合電荷密度の変化に伴う高多孔質面により、反応部位の数が増加するため、触媒として最適です。

Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP)37,38 は、Perdew − Burke − Ernzerhof および Heyd − Scuseria − Ernzerhof (HSE06) ハイブリッド交換相関汎関数 39,40 を使用して密度汎関数理論 (DFT) 計算を実行するために使用されます。 550 eV の平面波カットオフ エネルギーと 9 × 9 × 1 (30 × 30 × 1) の Γ 中心 k メッシュを使用して、自己無撞着 (非自己無撞着) 計算のために最初のブリルアン ゾーンをサンプリングします。 結晶は、ヘルマン・ファインマン力が 10-4 eV/Å 未満に低下するまで最適化されます。 隣接する層間の相互作用を排除するために、シートに垂直に 15 Å の真空が取られます。 構造形成エネルギーは Eform を使用して計算されます。 = (Etot. − n.EC)/n 式、ここで Etot. と EC はそれぞれ、穴のあるグラフィンと孤立した C 原子の総エネルギーであり、n は単位格子内の原子の総数です。 フォノン分散、熱輸送係数、格子熱伝導率は、それぞれ Hiphive41、BoltzTraP242、ShengBTE43 コードを使用して計算されます。 この洗練された方法は、多数の物質の輸送特性を分析するために使用されてきました44、45、46。 ShengBTE への入力として、2 次および 3 次の力定数は 3 × 3 × 1 スーパーセルを使用して計算されます。 3 次の力定数は、10 番目に最近隣の原子までを移動することによって計算されます。 高密度の q メッシュ 30 × 30 × 1 を利用して、よく収束した格子熱伝導率が得られます。 生成された格子の熱伝導率はよく収束しており、300 K での値の変化は、原子を 9 番目に最近隣の原子と 20 × 20 × 1 q メッシュまで移動して得られた結果からそれぞれ 4% および 1% 未満です。 ギブズ自由エネルギー変化 (ΔGH) の変化は、関係式 ΔGH = ΔEH + ΔEZPE − TΔS を使用して計算されます。ここで、ΔEH、ΔEzpe、T、および ΔS は、水素吸着エネルギー、ゼロ点エネルギーの変化、温度 ( 298.15 K)、エントロピーの変化47。 ΔEZPE – TΔS の値は 0.24 eV に等しく、ΔGH = ΔEH + 0.2447 となります。 水素の吸着エネルギーは、ΔEH = Etotal − Epristine − 1/2EH2 として得られます。ここで、Etotal、Epristine、および EH2 は、吸着された H 原子を含むホーリー グラフィン、純粋なホーリー グラフィン、および気相中の単一 H2 分子の合計エネルギーです。 、 それぞれ。

図 1 に示すように、ホーリーグラフィンには 6 個と 8 個の炭素原子で構成された 2 つのリングがあり、大きな細孔があります。以前の研究と一致して、各原始セルの面内格子定数は 10.84 Å に最適化されています 33。 C-C 結合の結合長は、1.23 Å (d1; sp ハイブリッド化三重結合)、1.41 Å (d2; sp ハイブリッド化単結合)、1.40 Å (d3; sp2 ハイブリッド化二重結合)、および 1.46 Å (d4; sp2) です。図 1b に示すように、ハイブリッド化した単結合）。 ホーリーグラフィンの形成エネルギーは - 8.46 eV/原子であり、グラフェン (- 9.22 eV/原子) および h-BN (- 8.80 eV/原子) 単層に匹敵します 48。 穴のあるグラフィンはボトムアップアプローチを使用して実験的に合成されたことを指摘する価値があります33。 それに加えて、非経験的分子動力学シミュレーションにより、有孔グラフィンは 900 K の高温でも熱的に安定であることが判明しました。33 図 2 は、計算された 0.50 eV (PBE) および 1.0 eV (HSE06) の直接バンドギャップを示しています。これは以前に計算された値であり、実験値の 1.10 eV.33 にも近い値です。

最適化されたホーリーグラフィン単位格子の結晶構造の側面図 (a) と上面図 (b)。 di (i = 1–4) は結合長を表します。 破線は単位セルを囲んでいます。

ホールリーグラフィンの計算された電子バンド構造。 オレンジと赤の曲線は、それぞれ価電子帯と伝導帯に対応します。 青い破線はフェルミ準位を表します。

計算されたホーリーグラフィンのフォノン分散には、虚数周波数を含まない合計 72 のフォノン モードがあり、その動的安定性が保証されています (図 3 を参照)。 面外屈曲音響 (ZA) フォノンは音響モードの中で最も低い周波数を持ち、次に面内横音響 (TA) および縦音響 (LA) フォノン モードが続きます。 最初の光学フォノンモードの周波数は 2.55 THz と著しく低く、ZA 間の結合により高いフォノン - フォノン散乱が有利になり、最低光学フォノンは高いフォノン - フォノン散乱に有利になります 49,50。 また、光学フォノンの分散性が低いため、フォノン群速度が小さくなります。 これらの明確な特性が集合的に、他の炭素同素体と比較して低い κl に寄与します。

ホールリーグラフィンの計算されたフォノン分散。

図 4 は、キャリア濃度と温度の変化に対する電子輸送係数を示しています。 電気伝導率 (σ/τ) と熱伝導率 (κe/τ) の電子部分は増加し、ゼーベック係数 (S) はキャリア濃度とともに直線的に減少します 51。 室温 |S| (1 × 1012 cm-2 で 300 μV/K) は、同じキャリア濃度のグラフェン (約 50 μV/K) よりも約 6 倍大きいです52。 p型(n型) |S| 考えられる最高のキャリア濃度 (2 × 1013 cm-2) および 600 K でも、p 型 S2σ/τ は 114 μV/K (110 μV/K) であることがわかります。p 型 S2σ/τ は、キャリア濃度が増加するにつれて、5 に近づくまで上昇します。 300 K (600 K) で × 1011 W/mK2s (9 × 1011 W/mK2s)、その後ドーピング濃度が上昇するにつれて低下します。 このように著しく高い S および S2σ/τ は、熱電変換​​用の有孔グラフィンを研究する価値があることを示唆しています。 さらに、価電子帯の最大値と伝導帯の最小値の同一の分散により、p 型と n 型の電子輸送係数に同様の分散が生じることも注目に値します。

300 K および 600 K におけるキャリア濃度 (ρ) の関数として計算された p 型および n 型の電子輸送係数。

さらに、格子振動が穴のあるグラフェンの熱伝導にどのような影響を与えるかを調べました（図5aを参照）。 計算された室温 κl は 29.3 W/mK であり、グラフェン (3000 W/mK)53、γ-グラフィン (76.4 W/mK)54、C3N (128 W/mK)53、および C2N (82.22 W) よりも低いことがわかります。 /mK)55。 300 K で計算された κl は、20 × 20 × 1 q メッシュを使用して得られた結果 (つまり、29.4 W/mK) とは 0.01% 異なりますが、結論に関連する影響はありません。 9 番目に最近隣の原子への原子の移動により 28.05 W/mK の κl が得られますが、これは 10 番目に最近隣の原子までの原子を移動することによって得られる値から 4% 逸脱します。 熱電の観点から見て魅力的な、有孔グラフィンの超低κl は、その結合が上記の平らな材料の結合よりも硬いことに起因すると考えられます。 C-C 結合の剛性は、穴のあるグラフィンのバネ定数 (K) によって決まります。これは、最も近い隣接する原子間の調和力定数テンソルのトレースとして計算されます。 \(K={\Phi }_{CC}^{xx}+ {\Phi }_{CC}^{yy}+{\Phi }_{CC}^{zz}\) と書きます。 \({\Phi }_{MX}^{\alpha \alpha }\) は、デカルト軸 α に沿った原子の変位に関するエネルギーの 2 階導関数です。 d1、d2、d3、および d4 の結合剛性は 87 eV/Å2、36 eV/Å2、44 eV/Å2、および 31 eV/Å2 であり、グラフェンの結合剛性 (10,105 eV/Å2) よりも大幅に小さいです。 このような結合機能により、格子振動による熱伝達が阻害され、κl 値が低くなります。 図5aは、温度が上昇すると、顕著なフォノン間散乱によりκlが減少し、κl ∝ 1/Tの関係に従うことを示しています。

(a) 温度の関数として計算およびフィッティングされた (κl ∝ 1/T) κl、(b) フォノン平均自由行程 (MFP) の関数としての累積格子熱伝導率 (κcl)、(c) フォノン散乱率、および(d) フォノン周波数の関数としての 300 K でのフォノン群速度。 (c および d) の黒い矢印は、Γ 点における第 1 光学フォノン モードの周波数 2.55 THz を表します。

材料がナノメートルサイズの粒子で構成され、さらにナノスケールの内部構造を持つ材料のナノ構造化 56 は、σ に影響を与えることなく κl を低減できます。 フォノンエンジニアリングの範囲をよりよく理解するために、フォノン平均自由行程（MFP）の関数としての累積格子熱伝導率（κcl）を調査し、図5bに示します。 MFP が減少すると、フォノン散乱が増加し、熱伝達が減少します。 格子熱伝導率に対するさまざまな MFP のフォノンの寄与は、κcl を計算することによって研究され、それによって熱伝導に最も関連するフォノンが推定されます 43。 300 K (600 K) では、κl の 75% は MFP 335 nm (110 nm) を持つフォノンによるものであり、これは、ナノ構造化による κl の低減が、ホーリーグラフィンにとって実行可能な戦略であることを意味します。 言い換えれば、サンプル サイズ 335 nm (110 nm) は、300 K (600 K) での κl の継承値を 4 分の 1 に減らすのに役立ちます。 κcl は MFP (温度) の上昇とともに増加 (減少) し、300 K (600 K) で 20,092 nm (7924 nm) を超えるとプラトーを示します。 600 K でのプラトーが低くなるのは、高温でフォノン散乱が強くなるためです。 フォノン輸送が主にフォノン散乱率とフォノン群速度に依存することを考えると、音響および光学フォノンモードの計算結果を図5c、dに示します。 室温における音響フォノンの最大散乱率は 2.74 ps-1 であり、C3N 単層 (2 ps-1) よりも比較的高くなります 53。 これは、音響フォノン モードと光学フォノン モードの結合によるもので、音響フォノンの散乱率が増加し、κl50 が大幅に減少します。 上記の分析を検証するためにフォノングループの速度が計算され、図5dに示されています。 室温における音響フォノンモードの最高フォノン群速度は 13.9 km/s であり、グラフェン (約 22 km/s)57 や窒素化された穴状グラフェン (18.48 km/s)58 の速度よりもはるかに低いです。 このような低い群速度は、フラット フォノン モードの結果です (図 3 を参照)。 したがって、フォノン群速度が低く、散乱率が高いため、ホーリーグラフィンのκl は小さくなります。

性能指数 (ZT) は緩和時間 (τ) に依存し、熱電応用における材料の可能性を示すために不可欠です。 この研究では、以前の研究で使用された変形ポテンシャル理論から τ の値を適応させました。 関係 τT = 300*τ300/T が成立し、600 K での値が得られます。正孔 (電子) の τ の値は、300 K および 600 K で 3.27 ps (1.16 ps) および 1.64 ps (0.58 ps) であることがわかります。それぞれK。 図 6 で計算された ZT は、S2σ/τ と同様の上昇傾向をたどります。 p 型 ZT は n 型よりも高く、電子輸送係数に見られる傾向に反しています (図 4 を参照)。 これは、正孔と電子の緩和時間が異なるという事実の結果です。 関係 ZT = S2T/(κe/σ + κl/σ) (κl/σ は τ の影響を受ける) は、τ 値が大きいほど ZT が大きくなるということを説明しています。 ZT は、600 K (300 K) での p 型ドーピングと n 型ドーピングでそれぞれ 3.36 (1.50) と 1.82 (0.71) のピーク値を確保します。 以前の研究 33 では、非経験的分子動力学シミュレーションに基づいて確立されたように、空洞のあるグラフィンは 900 K の高温でも熱的に安定であることが非経験的分子動力学シミュレーションによって確認されました。 穴あきグラフェンの室温 p 型 ZT は、穴あきグラフェン (1.13)59 よりも高く、元のグラフェン (0.55 × 10-3)60 やγ-グラフェン (0.48)54 よりも大幅に高くなります。

穴のあるグラフィンの計算された性能指数 (ZT)。

持続可能なエネルギーシステムを実現するには、高価な Pt ベースの触媒とは対照的に、活性でコスト効率の高い金属を含まない触媒が HER に必要であるためです。 また、HER に対するホーリーグラフィンの反応も明らかにしました。 HER 活性の標準的な記述子は、水素吸着エネルギーから導出されるギブズ自由エネルギー (ΔGH) です。 最初の例では、H 原子は考えられる 9 つの吸着サイトすべてに吸着されます (図 7a の s1 ～ s9)。 H 原子は s2 サイトを最も有利に見つけます。 s2 サイトの対応する ΔGH は 0.20 eV であり、これはグラフェン (1.41 eV)61、ホスホレン (1.25 eV)62、および C3N4 (0.58 eV)63 のΔGH よりもはるかに小さく、ビフェニレン (0.29 eV)61 に匹敵します。図を参照.7b. 実際、ΔGH = 0 が HER の最適値として際立っています。 ただし、|ΔGH|< 0.2 eV の値は、HER 活性に対する材料の触媒性能がより優れていることを意味します 64。 さらにひずみ工学を活用して、ΔGH への影響を評価しました。 2% の圧縮ひずみにより、ΔGH が 0.03 eV に減少し、ホーリーグラフィンの触媒性能が向上することが観察されます。 さらに、非経験的分子動力学シミュレーションにより、8 ps後の無傷のHおよびシート構造に沿った低エネルギー変動に関して、水素が吸着した有孔グラフィンの熱安定性が保証されます（図7cを参照）。 穴あきグラフィンの光触媒性能に対処するために、真空準位に対する価電子帯最大値 (VBM) と伝導帯最小値 (CBM) の位置、および水分解のための H+/H2 還元および (O2/H2O) 酸化電位を以下に示します。図7d。 CBM が H+/H2 ポテンシャルよりも正であることは明らかであり、ホーリーグラフィンが光触媒による水素生成の可能性のある材料であることを示唆しています。 対照的に、VBM は O2/H2O 酸化電位よりも高くなります。 したがって、穴の開いたグラフェンは、H2O を O2 に酸化するのには適していません。 ただし、VBM を下方にシフトする適切なバンド エンジニアリング (ドーピング、外部バイアスの適用、ヘテロ接合など) により、水を H2 と O2 に分解できる可能性があります。

(a) 水素の吸着サイト (s1 ～ s9) が存在する可能性のある有孔グラフェンの単位格子。 (b) 穴のあるグラフィン上の水素吸着の計算されたギブズ自由エネルギー (ΔGH)。 グラフェンの対応する値 [参照。 61]、C3N4 [参照。 63]、ビフェニレン [Ref.63] 61]も比較のために記載しています。 (c) 初期および最終の水素吸着穴状グラフェン構造と並べた、300 K での非経験的分子動力学シミュレーション中の総エネルギーの変動。 茶色と緑色の球はそれぞれ C 原子と H 原子を表します。 (d) 真空レベルに対する、未加工および歪んだ (2% 圧縮ひずみ) 穴状グラフェンの計算されたバンド エッジ位置。

第一原理計算を使用して、直接バンドギャップが 1.0 eV の半導体材料であるホーリーグラフィンの熱輸送特性と HER 触媒活性を調査しました。 密集したフォノンはブリルアン ゾーン全体にわたって正の周波数を示し、ホーリー グラフィンの動的安定性を保証します。 室温 |S| は 1 × 1012 cm−2 で 300 μV/K となります (グラフェンのほぼ 6 倍)。 屈曲音響フォノンは最低光学フォノンモードと結合してフォノン間の散乱を強化し、最終的にκlを減少させます。 29.3 W/mK という推定室温 κl は、グラフェンの温度 (3000 W/mK) と比較して非常に低く、これは結合剛性が低いためです。 ナノ構造工学の助けを借りて、300 K (600 K) で約 335 nm (110 nm) の結晶サイズの場合、κl はさらに 4 分の 1 に減少します。 室温での p 型 ZT は最大値 1.50 を達成し、グラフェン (0.55 × 10-3) を大きく上回り、優れた熱電性能を示しています。 最後に、過電位が低く、H+/H2 電位よりも正の CBM を持つホーリーグラフィンも、HER を触媒することができます。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

ルイス、NS & ノセラ、DG 地球に電力を供給: 太陽エネルギー利用における化学的課題。 手順国立アカド。 科学。 103(43​​)、15729–15735。 https://doi.org/10.1073/pnas.0603395103 (2006)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

GSR2018_フルレポート_英語。

Kverndokk, S. 化石燃料の枯渇と地球温暖化の影響。 ノルウェー統計、調査局: オスロ (1994)。 http://hdl.handle.net/10419/192091。

Kabeyi、MJB & Olanrewaju、OA 再生可能および低炭素グリッド電力の生成と供給のための持続可能なエネルギー移行。 フロント。 エネルギー抵抗 https://doi.org/10.3389/fenrg.2021.743114 (2022)。

記事 Google Scholar

Dunn, S. 水素先物: 持続可能なエネルギー システムに向けて。 Ｉｎｔ Ｊ．ハイドログ． エネルギー 27(3)、235–264。 https://doi.org/10.1016/S0360-3199(01)00131-8 (2002)。

記事 CAS Google Scholar

ウー、H.-H. 他。 単層三リン酸塩 MP 3 (M = Sn、Ge) は、水素発生反応に対する優れた基礎触媒活性を備えています。 ナノスケール 11(25)、12210–12219。 https://doi.org/10.1039/C9NR03255J (2019)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Zhang, J.、Sasaki, K.、Sutter, E. & Adzic, RR 金クラスターを使用した白金酸素還元電極触媒の安定化。 サイエンス (1979) 315(5809)、220–222。 https://doi.org/10.1126/science.11​​34569 (2007)。

記事 CAS Google Scholar

Tymoczko, J.、Calle-Vallejo, F.、Schuhmann, W. & Bandarenka, AS 高分子電解質膜電解槽における水素発生反応をさらに高速化します。 ナット。 共通。 7(1)、10990。https://doi.org/10.1038/ncomms10990 (2016)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Sahoo, MR、Ray, A. & Singh, N. VGe 2 N 4 および NbGe 2 N 4 単層での水素発生反応に関する理論的洞察。 ACS オメガ 7(9)、7837 ～ 7844。 https://doi.org/10.1021/acsomega.1c06730 (2022)。

論文 CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

熱電材料研究の最近の動向 II; 半導体および半金属 ; 70節。 学術出版局: サンディエゴ (2001)。

Snyder、GJ & Toberer、ES 複合熱電材料。 ナット。 メーター。 7(2)、105–114。 https://doi.org/10.1038/nmat2090 (2008)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Pei、J.、Cai、B.、Zhuang、H.-L. & リー、J.-F. Bi2Te3 ベースの応用熱電材料: 研究の進歩と新たな課題。 国立科学。 黙示録 7(12)、1856 ～ 1858 年。 https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa259 (2020)。

論文 PubMed PubMed Central Google Scholar

ノボセロフ、KSら。 原子的に薄い炭素膜における電界効果。 サイエンス (1979) 306(5696)、666–669。 https://doi.org/10.1126/science.11​​02896 (2004)。

記事 CAS Google Scholar

Allen、MJ、Tung、VC、Kaner、RB ハニカム カーボン: グラフェンのレビュー。 化学。 改訂 110(1)、132–145。 https://doi.org/10.1021/cr900070d (2010)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Zhao, M.、Dong, W. & Wang, A. グラフェンよりも優れた二次元炭素トポロジカル絶縁体。 科学。 議員 3(1)、3532。https://doi.org/10.1038/srep03532 (2013)。

論文 ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Malko, D.、Neiss, C.、Viñes, F. & Görling, A. グラフェンの競争: 方向依存のディラック コーンを持つグラフェン。 物理学。 レット牧師。 108(8)、086804。https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.086804 (2012)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Zhang, X.、Wei, L.、Tan, J.、Zhao, M. ディラック コーンを備えた超軟質グラフェン同素体の予測。 カーボン NY 105、323–329。 https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.04.058 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

ジャン、J.-W. 他。 ツイングラフェン: 新しい二次元半導体炭素同素体。 カーボンNY 118、370–375。 https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.03.067 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Zhang, W.、Chai, C.、Fan, Q.、Song, Y.、Yang, Y. 調整可能な直接バンドギャップと高いキャリア移動度を備えた二次元炭素同素体。 応用サーフサイエンス 537、147885。https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.147885 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

マフムード、J.ら。 窒素化された穴のある二次元構造。 ナット。 共通。 6、4～10。 https://doi.org/10.1038/ncomms7486 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

マフムード、J.ら。 固体状態で炭化した有機単結晶から得られる二次元ポリアニリン (C 3 N)。 手順国立アカド。 科学。 113(27)、7414–7419。 https://doi.org/10.1073/pnas.1605318113 (2016)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

ファン、Q.ら。 ポリアズレンの融合による非交互トポロジーのナノリボン: グラフェンを超えた炭素の同素体。 混雑する。 化学。 社会 141(44)、17713–17720。 https://doi.org/10.1021/jacs.9b08060 (2019)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

リー、Ｙら。 アルキニル結合ナフチル炭素骨格: ナフインの構造と電気化学的性能。 ACS アプリケーション。 メーター。 インターフェイス 12(29)、33076 ～ 33082。 https://doi.org/10.1021/acsami.0c05741 (2020)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

パン、Q.ら。 新しいグラフィン同素体である結晶性グラテトレインの直接合成。 CCS Chem. 3(4)、1368–1375。 https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000377 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

ファン、Q.ら。 ビフェニレンネットワーク: 非ベンゼン系炭素同素体。 サイエンス (1979) 372(6544)、852–856。 https://doi.org/10.1126/science.abg4509 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Kim、BG & Choi、HJ Graphyne: 多用途のディラック コーンを備えたカーボンの六角形ネットワーク。 Phys Rev B 86(11)、115435。https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.115435 (2012)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Ouyang, T. et al. 配位制約のある探索戦略に基づいた、低エネルギーグラフィン同素体の体系的な列挙。 物理学。 ステータス Solidi (RRL) 高速応答。 レット。 14(12)、2000437。https://doi.org/10.1002/pssr.202000437 (2020)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Kou, J.、Zhou, X.、Lu, H.、Wu, F.、Fan, J. 淡水化用膜としてのグラフィン。 ナノスケール 6(3)、1865 ～ 1870 年。 https://doi.org/10.1039/C3NR04984A (2014)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

ヤン、P.ら。 希少かつ堅牢なディラック節ループを持つグラフィン同素体が新たに発見されました。 ナノスケール 13(6)、3564–3571。 https://doi.org/10.1039/D0NR08397F (2021)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Ouyang, T. et al. ガンマグラフィンナノリボンとナノ接合の熱電特性。 Ｊ．Ａｐｐｌ． 物理学。 114(7)、073710。https://doi.org/10.1063/1.4818616 (2013)。

記事 ADS CAS Google Scholar

パニグラヒ、P.ら。 糖尿病用の二次元窒素化ホーリーグラフェン (C2N) 単層ベースのグルコースセンサー。 応用サーフィン。 科学。 2021(573)、151579。 https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.151579 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Sajjad, M.、Hussain, T.、Singh, N. & Larsson, JA 極性 C2N 2D 材料への多硫化ナトリウムの優れた固定: ナトリウム硫黄電池における潜在的な電極強化剤。 ラングミュア 36(43)、13104–13111。 https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.0c02616 (2020)。

論文 CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Liu、X.ら。 異常な環状π拡張を持つ 2 次元のホーリー グラフェンの構築。 問題 https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.04.033 (2022)。

論文 PubMed PubMed Central Google Scholar

ジェームス、A.ら。 グラフィネス: 炭素平地に不可欠なナノ多孔質構造。 RSC アドバンス 8(41)、22998–23018。 https://doi.org/10.1039/C8RA03715A (2018)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Al-Jayyousi、H. et al. リチウム硫黄電池用の二次元ナノシート B2C4P2 および B3C2P3 の優れたアンカー性能を調査します。 ACS オメガ 7(43)、38543 ～ 38549。 https://doi.org/10.1021/acsomega.2c03898 (2022)。

論文 CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Al-Jayyousi、HK、Sajjad、M.、Liao、K.、Singh、N. 二次元ビフェニレン: リチウム硫黄電池の有望なアンカー材料。 科学。 議員 12(1)、4653。https://doi.org/10.1038/s41598-022-08478-5 (2022)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kresse, G. & Furthmüller, J. 平面波基底系を使用した金属と半導体の非経験的総エネルギー計算の効率。 計算します。 メーター。 科学。 6(1)、15-50。 https://doi.org/10.1016/0927-0256(96)00008-0 (1996)。

記事 CAS Google Scholar

Kresse, G. & Furthmüller, J. 平面波基底関数セットを使用した非経験的な総エネルギー計算のための効率的な反復スキーム。 物理学。 Rev. B 54(16)、11169–11186。 https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.11169 (1996)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Perdew, JP、Burke, K.、Ernzerhof, M. 一般化された勾配近似が簡単になりました。 物理学。 レット牧師。 77(18)、3865–3868。 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865 (1996)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Krukau, AV、Vydrov, OA、Izmaylov, AF & Scuseria, GE スクリーニングされたハイブリッド汎関数のパフォーマンスに対する交換スクリーニング パラメーターの影響。 Ｊ．Ｃｈｅｍ． 物理学。 125(22)、224106。https://doi.org/10.1063/1.2404663 (2006)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Eriksson, F. 、 Fransson, E. & Erhart, P. 機械学習による高次の力定数の抽出のための hihive パッケージ。 上級シミュレーション理論。 2(5)、1800184。https://doi.org/10.1002/adts.201800184 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Madsen, GKH、Carrete, J. & Verstraete, MJ BoltzTraP2、バンド構造を補間し、準古典的な輸送係数を計算するプログラム。 計算します。 物理学。 共通。 231、140–145。 https://doi.org/10.1016/j.cpc.2018.05.010 (2018)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Li, W.、Carrete, J.、Katcho, A. & Mingo, N. ShengBTE: フォノンのボルツマン輸送方程式のソルバー。 計算します。 物理学。 共通。 185(6)、1747 ～ 1758 年。 https://doi.org/10.1016/j.cpc.2014.02.015 (2014)。

記事 ADS CAS MATH Google Scholar

Wang, B.、Yan, X.、Cui, X.、Cai, Y. 単層 γ-GeSe のフォノン寿命と低格子熱伝導率の第一原理研究: 比較研究。 ACS アプリケーション。 ナノメーター。 5(10)、15441–15448。 https://doi.org/10.1021/acsanm.2c03476 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Shu、Z.ら。 高性能熱電単層 γ-GeSe とその IV 族モノカルコゲナイド同構造ファミリー。 化学。 工学 J. 454、140242。https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140242 (2023)。

記事 CAS Google Scholar

Sajjad, M. & Singh, N. Nb2SiTe4 および Nb2GeTe4 の三元単層の性能指数に対する電子フォノン結合の影響。 物理学。 化学。 化学。 物理学。 23(29)、15613–15619 (2021)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Nørskov、JKら。 水素発生の交換電流の傾向。 Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ． 社会 152(3)、J23。 https://doi.org/10.1149/1.1856988 (2005)。

記事 CAS Google Scholar

Mortazavi, B.、Shojaei, F.、Yagmurcukardes, M.、Shapeev, AV & Zhuang, X. 第一原理と機械学習によって確認された、新しい半導体 BCN 単層における異方性と優れた機械的、熱伝導、光学的、圧電的応答。 カーボンNY 200、500-509。 https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.08.077 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

マン、S.ら。 純粋なグラフェンとドープされた (B、N) グラフェンの格子熱伝導率。 メーター。 解像度エクスプレス https://doi.org/10.1088/2053-1591/abb2cd (2020)。

記事 Google Scholar

DT モレリ & ジョージア州スラック 高格子熱伝導率固体。 高温。 行為。 メーター。 37、68。https://doi.org/10.1007/0-387-25100-6_2 (2006)。

記事 Google Scholar

Li, L.、Meller, G. & Kosina, H. ドープ有機半導体の解析伝導度モデル。 Ｊ．Ａｐｐｌ． 物理学。 https://doi.org/10.1063/1.2472282 (2007)。

記事 Google Scholar

Ali, M.、Pi, X.、Liu, Y.、Yang, D. 原子的に薄い C3Si3/C および C3Ge3/C 超格子の電子的および熱電的特性。 ナノテクノロジー https://doi.org/10.1088/1361-6528/aa9ebb (2018)。

論文 PubMed Google Scholar

Kumar, S.、Sharma, S.、Babar, V.、Schwingenschlögl, U. グラフェンと比較した単層 C3N の格子熱伝導率は超低い。 J. メーター。 化学。 メーター。 5(38)、20407–20411。 https://doi.org/10.1039/c7ta05872a (2017)。

記事 CAS Google Scholar

ジャン・PHら。 第一原理計算によるγグラフィンの熱電特性。 カーボンNY 113、108–113。 https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.11.038 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Ouyang, T. et al. 窒素化された穴のあるグラフェンにおける熱輸送の第一原理研究。 ナノテクノロジー https://doi.org/10.1088/1361-6528/28/4/045709 (2017)。

論文 PubMed Google Scholar

Singh、DJ & Terasaki、I. 熱電: ナノ構造化など。 ナット。 メーター。 7(8)、616–617。 https://doi.org/10.1038/nmat2243 (2008)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

モルタザヴィ、B.ら。 二次元材料の熱伝導率を調べるための効率的な機械学習ベースの原子間ポテンシャル。 Ｊ．Ｐｈｙｓ． メーター。 https://doi.org/10.1088/2515-7639/ab7cbb (2020)。

記事 Google Scholar

Zhao, Y.、Dai, Z.、Lian, C. & Meng, S. 窒素化された穴のあるグラフェンにおけるエキゾチックな熱電挙動。 RSC アドバンス 7(42)、25803–25810。 https://doi.org/10.1039/c7ra03597g (2017)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Singh, D.、Shukla, V. & Ahuja, R. 二次元の穴のあるグラフェンの光励起と熱電特性。 物理学。 Rev. B 102(7)、75444。https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.075444 (2020)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Anno, Y.、Imakita, Y.、Takei, K.、秋田, S. & Arie, T. 欠陥工学によるグラフェンの熱電性能の強化。 2Dメーター。 https://doi.org/10.1088/2053-1583/aa57fc (2017)。

記事 Google Scholar

Luo, Y. et al. ビフェニレンの構造的、機械的、電子的、触媒的特性に関する第一原理研究。 科学。 議員11(1)、1-6。 https://doi.org/10.1038/s41598-021-98261-9 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Cai、Y.ら。 プラチナに匹敵する水素発生性能を実現するフォスフォレンの設計。 化学。 メーター。 31(21)、8948–8956。 https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.9b03031 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Zheng、Y.ら。 メタルフリー電極触媒による水素発生。 ナット。 共通。 5(1)、3783。https://doi.org/10.1038/ncomms4783 (2014)。

論文 ADS PubMed Google Scholar

Huang, B.、Zhou, N.、Chen, X.、Ong, W. & Li, N. 二次元遷移金属炭窒化物 (MXene) における電極触媒による水素発生反応機構についての洞察。 化学。 ユーロ。 J. 24(69)、18479–18486。 https://doi.org/10.1002/chem.201804686 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

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NS は、新興科学イノベーション助成金 ESIG-2023-004 に基づくカリファ科学技術大学からの財政的支援に感謝します。 著者らはまた、ハリファ大学の高性能コンピューティング施設と研究用コンピューティング施設がこの研究結果に貢献したことを認めています。

これらの著者は同様に貢献しました：ムハンマド・サジャドとスラビ・スレシュ・ナール。

物理学科、ハリファ科学技術大学、127788、アブダビ、アラブ首長国連邦

ムハンマド・サジャド、スラビ・スレシュ・ナイル、ニルペンドラ・シン

航空宇宙工学部、カリファ科学技術大学、127788、アブダビ、アラブ首長国連邦

ヤルジャン・アブドゥル・サマド

ケンブリッジ大学工学部、ケンブリッジ グラフェン センター、ケンブリッジ、英国

ヤルジャン・アブドゥル・サマド

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MS と SSN は計算を実行し、原案を作成しました。 YASは原稿をレビューし、編集しました。 NS はアイデアを作成し、プロジェクトを監督し、最終的に原稿をレビューしました。

ニルペンドラ・シンへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Sajjad、M.、Nair、SS、Samad、YA 他ホーリーグラフィンの巨大な性能指数と説得力のある HER 触媒活性。 Sci Rep 13、9123 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-35016-8

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受信日: 2023 年 3 月 14 日

受理日: 2023 年 5 月 11 日

公開日: 2023 年 6 月 5 日

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