二维 Mo2Se3和 Mo3Se2单层作为高效水电解电催化剂的研究

为解决高效低成本析氢催化剂匮乏问题，研究人员通过第一性原理计算，探究 Mo2X3和 Mo3X2（X=S,Se）单层电催化潜力。发现 Mo3S2、Mo2Se3和 Mo3Se2 HER 性能媲美 Pt，Mo2Se3 Janus 结构活性位点密度高，为水电解提供新方向。

　　

研究背景与意义

随着全球对可持续能源需求的激增，电化学水分解因其高安全性和产物纯度，成为极具前景的制氢技术。然而，该技术的核心挑战在于缺乏高效且低成本的催化剂。目前，贵金属铂（Pt）虽展现出最优的析氢反应（HER）催化性能，但其高昂成本和稀缺性严重限制了实际应用。因此，开发价格低廉、催化活性优异的替代材料成为当务之急。

过渡金属化合物（TMCs）作为二维（2D）材料的典型代表，因具有高比表面积和丰富的催化活性位点，成为 Pt 替代材料的研究热点。例如，二硫化钼（MoS₂）的 HER 活性已接近 Pt 基催化剂，而过渡金属硒化物（如 MoSe₂）因更低的过电位和塔菲尔斜率，表现出比硫化物更优的电催化活性。然而，现有二维过渡金属硫族化合物（2D TMChs）的催化性能仍有提升空间，开发新型结构的高效催化剂迫在眉睫。

在此背景下，某研究团队开展了针对新型二维单层材料 Mo₂Se₃和 Mo₃Se₂的电催化性能研究。该研究成果发表于《Applied Surface Science》，为水电解催化剂的设计提供了新策略。

关键技术方法

研究主要采用 ** 粒子群优化晶体结构分析（CALYPSO）算法预测二维 Mo-Se 体系的稳定结构，并结合密度泛函理论（DFT）** 计算，通过维也纳从头算模拟软件包（VASP）进行结构弛豫和电子性质分析。计算中使用广义梯度近似（GGA）描述电子交换关联能，并通过凝聚能和 phonon 光谱分析验证材料的热力学和动力学稳定性。通过能带结构、态密度（DOS）、电子局域函数（ELF）和 Bader 电荷分析，揭示材料的导电机制和电荷转移特性。

研究结果

新型稳定单层结构的发现

通过全局结构搜索，发现两种未被报道的稳定单层结构：具有 P4bm 对称性的 Mo₂Se₃和 Pmmn 对称性的 Mo₃Se₂。Mo₂Se₃单层在常压下的晶格常数为 a = b = 5.784 ?，c = 26.748 ?，最小重复单元包含两个分子式，Mo 原子占据 4c 位点。

电子结构与导电性能

Mo 与 Se 原子通过 Mo 的 d 轨道和 Se 的 p 轨道杂化形成强极性共价键，赋予材料结构稳定性和本征金属特性。能带和态密度计算表明，两种单层材料均具有优异的导电性，Bader 电荷分析显示 Mo 与 Se 之间存在显著的电荷转移，增强了 Se 原子的活性。

催化性能评估

Mo₃S₂、Mo₂Se₃和 Mo₃Se₂的 HER 性能与 Pt 相当。其中，Mo₂Se₃的 Janus 结构（两侧原子排列不对称）暴露了更高密度的活性位点，显著提升催化效率。火山曲线分析表明，硒化钼的催化性能优于硫化钼，且两种单层材料通过 Volmer-Heyrovsky 路径实现自发产氢。

热力学与动力学稳定性

凝聚能和 phonon 光谱分析证实，Mo₂Se₃和 Mo₃Se₂单层具有高热力学和动力学稳定性，满足实际应用对材料稳定性的需求。

结论与讨论

本研究通过 CALYPSO 算法与第一性原理计算结合，成功预测并验证了四种新型二维单层材料（Mo₂X₃和 Mo₃X₂，X=S,Se）的结构与性能。其中，Mo₂Se₃和 Mo₃Se₂凭借高比表面积、优异的电荷传输能力和独特的 Janus 结构活性位点分布，展现出媲美 Pt 的 HER 催化性能，且稳定性良好。

该研究不仅拓展了二维材料在能源转化领域的应用，更提供了一种 “低成本 - 高性能” 催化剂的设计框架。硒化钼体系的优异表现为过渡金属硫族化合物的优化提供了新方向，有望推动电化学水分解技术向实际应用迈出关键一步。未来研究可进一步探索材料的实验合成路径及在全解水反应中的双功能催化性能，为清洁能源领域的突破奠定基础。