A busca por fontes de energia limpa como alternativa para os combustíveis fósseis tem impulsionado o design de catalisadores de alta eficiência para a produção de hidrogênio verde por meio das Reações de Evolução de Hidrogênio (HER) [1]. Materiais bidimensionais (2D) abundantes e com eficiência competitiva em relação aos metais nobres nobres se destacam como alternativas devido a alta área superficial e propriedades eletrônicas otimizadas. As Jacutingaitas (Pt2HgSe3), uma família de compostos naturais extraídos em MG (Brasil)[2], se destacam por propriedades eletrônicas exóticas como o comportamento isolante topológico. Contudo, uma investigação de suas propriedades catalíticas ainda permanece elusiva. Neste trabalho, a atividade catalítica de monocamadas de Pt2XSe3 (X = Hg, Zn) para a HER em condições ácidas foi investigada por meio de cálculos de primeiros princípios. A atividade catalítica foi avaliada pelo cálculo da energia livre de adsorção do hidrogênio (dGH) via modelo do Eletrodo de Hidrogênio Computacional (CHE) [3]. Deformações biaxiais elásticas foram aplicadas no intervalo de -3% a +3%. Nossos resultados mostram que a substituição de Hg por Zn preservou as características eletrônicas e catalíticas gerais do material, oferecendo uma alternativa de menor toxicidade, com sítios de Hg e Zn apresentando a melhor atividade. Sob deformação, identificou-se que a compressão biaxial fortalece a ligação H-metal, enquanto a expansão a enfraquece. A compressão de 3% levou a uma adsorção quase termoneutra, com dGH de 0,08 eV para Hg e 0,07 eV para Zn. Análises de densidade de estados (PDOS) e população hamiltoniana (ICOHP) revelaram que essa otimização decorre do deslocamento do centro da banda d dos sítios ativos e da consequente modulação da repulsão eletrostática na interface catalisador-adsorbato. Os insights atomísticos apresentados neste trabalho demonstram como a engenharia de deformação pode ser uma estratégia eficaz para regular a estrutura eletrônica e amplificar a eficiência catalítica das estruturas Pt2XSe3 para a HER, contribuindo para o desenvolvimento de novos catalisadores 2D.
Referências
[1] Zhang, J., Ma, C., Jia, S., Gu, Y., Sun, D., Tang, Y., & Sun, H. (2023). Advanced Energy Materials, 13(43), 2302436.
[2] Cabral, A. R., Galbiatti, H. F., Kwitko-Ribeiro, R., & Lehmann, B. (2008). Terra Nova, 20(1), 32–37.
[3] J. K. Nørskov, J. Rossmeisl, A. Logadottir, L. Lindqvist, J. R. Kitchin, T. Bligaard and H. Jónsson, The Journal of Physical Chemistry B, 2004, 108, 17886–17892.
Agradecimentos
Os autores agradecem à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP, processo 2024/11376-6) pelo funanciamento e a Central Computacional Multiusuário pelos recursos computacionais fornecidos para a realização deste trabalho.
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Pedro Alves da Silva Autreto
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