金烯/Janus-MSSe异质结构调控氢吸附自由能实现高效析氢反应催化

本研究针对铂基催化剂成本高的问题，通过构建金烯(goldene)与Janus MoSSe/WSSe异质结构，结合第一性原理计算发现S/Se空位能显著降低氢吸附吉布斯自由能(ΔGH?)，其中Se面金烯/MoSSe和S面金烯/WSSe异质结构在特定pH条件下ΔGH?趋近于零，为开发非铂高效析氢反应(HER)催化剂提供了新思路。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为清洁能源载体备受关注，但传统析氢反应(HER)依赖昂贵的铂催化剂，严重制约其大规模应用。过渡金属二硫化物(TMDs)虽具潜力，但本征导电性差和催化活性不足成为瓶颈。近期，具有独特电子结构的二维金烯(goldene)和不对称Janus材料MoSSe/WSSe的相继问世，为设计新型催化剂提供了可能。

伊朗阿拉梅赫塔巴塔巴伊大学凝聚态物理系的研究人员通过构建金烯与Janus MSSe(M=Mo,W)异质结构，利用第一性原理密度泛函理论(DFT)系统研究了其HER催化性能。研究发现：异质结构在室温下稳定且呈现p型肖特基接触，金烯向Janus层形成强本征电场；原始Janus材料ΔG_H?>1.5 eV，而引入S/Se空位后ΔG_H?降至0.2 eV以下；特别地，Se空位金烯/MoSSe的Se面和S空位金烯/WSSe的S面ΔG_H?趋近于零，在pH≈1.7时几乎实现自发催化。该成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为开发非贵金属HER催化剂提供了理论指导。

关键技术包括：采用Quantum Espresso软件进行DFT计算，使用优化范数守恒赝势，平面波截断能80 Ry；构建2×2×1超胞研究氢吸附；通过声子谱和分子动力学验证稳定性；利用Bader电荷分析电荷转移；采用HSE06泛函修正带隙。

【结构性质与稳定性】
金烯采用hcp结构(晶格常数2.93 ?)，与Janus层形成稳定异质结构，结合能-0.33~-0.39 eV/?。分子动力学模拟证实300K下结构稳定，声子谱显示无虚频。

【电子性质】
Bader电荷分析揭示金烯向Janus层转移0.03-0.05 e，形成由金烯指向Janus层的本征电场，有效促进电荷分离。

【HER催化性能】
原始MoSSe/WSSe的ΔG_H?过高(1.5-2.0 eV)，S空位使MoSSe的ΔG_H?降至0.18 eV，Se空位使WSSe达0.12 eV。金烯进一步优化性能：Se空位金烯/MoSSe(Se面)ΔG_H?=0.03 eV，S空位金烯/WSSe(S面)ΔG_H?=-0.02 eV，在pH=1.7时接近热力学平衡。

结论表明，金烯/Janus异质结构通过空位工程和界面电荷调控，可大幅提升HER活性。该研究不仅阐明了金烯增强催化活性的机制，还为设计具有自发催化能力的非贵金属催化剂提供了新范式，对推动绿色制氢技术发展具有重要意义。