[论文解读] Prediction of a Novel 2D Porous Boron Nitride Material with Excellent Electronic, Optical and Catalytic Properties

Vikram Mahamiya, Alok Shukla+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2022

Graphene research and applications参考文献 84被引用 10

一句话总结

本研究通过第一性原理DFT和分子动力学模拟，预测了一种新型二维多孔氮化硼结构——BN-孔状石乙炔（BN-HGY）。该材料具有5.18 eV的宽直接带隙，可通过掺杂调节其电子性质，在紫外和可见光范围内表现出强烈的光学吸收，且析氢反应（HER）的吉布斯自由能接近零，显示出优异的催化潜力，因此在纳米电子学、光电子学和制氢应用方面具有广阔前景。

ABSTRACT

Holey graphyne (HGY) is a recently synthesized two-dimensional semiconducting allotrope of carbon composed of a regular pattern of six and eight-vertex carbon rings. In this study, based on first-principles density functional theory and molecular dynamics simulations, we predict a similar stable porous boron nitride holey graphyne-like structure that we call BN-holey-graphyne (BN-HGY). The dynamical and thermal stability of the structure at room temperature is confirmed by performing calculations of the phonon dispersion relations, and also ab-initio molecular dynamics simulations. BN-HGY structure has a wide direct bandgap of 5.18 eV, which can be controllably tuned by substituting carbon, aluminum, silicon, and phosphorus atom in place of sp and sp$^2$ hybridized boron and nitrogen atoms of BN-HGY. We have also calculated the optical properties of the HGY and BN-HGY structures for the first time and found that the optical absorption spectra of these structures span full visible and a wide range of ultraviolet regions. We have found that the Gibbs free energy of the BN-HGY structure for the hydrogen adsorption process is very close to zero (-0.04 eV) and, therefore, the BN-HGY structure can be utilized as a potential catalyst for HER. Therefore, we propose that the boron nitride analog of holey graphyne can be synthesized and that it has a wide range of applications in nanoelectronics, optoelectronics, spintronics, ultraviolet laser, and solar cell devices.

研究动机与目标

• 探索最近发现的孔状石乙炔（HGY）结构的硼氮化物类似物BN-HGY的合成可行性。
• 评估所提出的BN-HGY结构在能量、动力学和热力学上的稳定性。
• 研究BN-HGY的电子、光学和催化性质，以评估其在纳米电子学、光电子学和析氢反应（HER）中的潜在应用。
• 评估通过C、Al、Si、P掺杂及Li、Mg、Sc、Y金属修饰调控带隙的可行性。
• 通过计算氢吸附的吉布斯自由能，评估BN-HGY作为HER催化剂的适用性。

提出的方法

• 采用基于PBE-GGA泛函的第一性原理密度泛函理论（DFT）计算电子和结构性质。
• 通过声子色散关系计算验证动力学稳定性，利用从头算分子动力学（AIMD）模拟在300 K和1000 K下验证热稳定性。
• 利用频率相关的复介电函数 Ɛ(ω) = Ɛ₁(ω) + iƐ₂(ω) 计算了介电函数、折射率和吸收系数。
• 通过标准方程从 Ɛ₁ 和 Ɛ₂ 分量推导出光学吸收系数 α(ω) 和折射率 n(ω)。
• 采用 ΔG = ΔEads + ΔEZPE – TΔS 公式计算HER的吉布斯自由能，其中零点能（ZPE）和熵校正项采用文献值。
• 通过将B/N原子替换为C、Al、Si、P，或在H和O位点吸附Li、Mg、Sc、Y原子，模拟掺杂和金属修饰。

实验结果

研究问题

• RQ1 BN-HGY是否在能量、动力学和热力学上稳定？
• RQ2 BN-HGY的电子能带结构和带隙如何？是否可通过掺杂或修饰实现调控？
• RQ3 BN-HGY与HGY在紫外和可见光谱范围内的光学吸收性质如何？
• RQ4 BN-HGY上氢吸附的吉布斯自由能是多少？是否表明其具备析氢反应（HER）的催化潜力？
• RQ5 BN-HGY能否作为多功能材料应用于纳米电子学、光电子学和催化？

主要发现

• BN-HGY结构的动力学稳定性已通过声子色散谱中无虚频模式得到证实。
• AB-initio分子动力学模拟（5 ps）表明，BN-HGY在300 K和1000 K下均保持热稳定性。
• 采用HSE06泛函计算，BN-HGY具有5.18 eV的宽直接带隙。
• 通过C、Al、Si或P原子的取代掺杂，可实现对BN-HGY带隙的可控调节，且掺杂后材料表现出磁性。
• BN-HGY的光学吸收光谱覆盖了广泛的紫外区域，表明其适用于紫外激光和光催化应用。
• BN-HGY八边形位点的氢吸附吉布斯自由能为-0.04 eV，表明其在析氢反应（HER）中具有优异的催化活性。