过渡金属掺杂激活Janus VSeTe单层材料高效析氢反应性能的第一性原理研究

为开发高效低成本析氢反应(HER)催化剂，山东科研团队通过密度泛函理论(DFT)系统研究了14种过渡金属(TM)掺杂Janus VSeTe单层材料的催化性能。研究发现Co@Te位点表现出最优ΔG值(-0.080 eV)，其H-s与Co-dz2轨道深度杂化机制显著提升HER活性，为替代贵金属Pt基催化剂提供了新策略。

　　

氢能作为清洁能源的重要载体，其高效制备技术是当前研究热点。析氢反应(HER)作为电解水制氢的关键步骤，长期以来依赖昂贵的铂(Pt)基催化剂。尽管二维过渡金属二硫属化物(TMDs)如MoS₂展现出替代潜力，但其本征活性位点不足严重制约催化效率。近年来，具有面外结构不对称性的Janus型TMDs（如MoSSe）因其独特的电子结构和内置电场效应，为HER催化剂设计开辟了新途径。然而，关于Janus VSeTe体系的研究仍集中于磁性材料和锂电负极应用，其在HER领域的潜力尚未充分挖掘。

针对这一科学问题，来自山东的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，采用第一性原理计算方法系统探究了14种过渡金属（Sc至Au）掺杂对Janus VSeTe单层HER活性的调控机制。研究通过维也纳从头算模拟软件包(VASP)进行密度泛函理论(DFT)计算，采用PBE泛函处理电子交换关联作用，并引入DFT-D3修正范德华力。通过分析吸附能(ΔE)和吉布斯自由能变(ΔG)等关键参数，结合电子态密度(DOS)和轨道杂化理论，揭示了不同掺杂位点的催化活性差异。

电子结构及氢吸附特性
研究发现原始VSeTe单层晶格常数为3.45 ?，其Se面和Te面的ΔG分别为0.964 eV和1.328 eV，证实本征催化活性较弱。电子结构分析显示V-3d轨道主导费米能级，而Te-5p轨道在-3 eV处形成显著峰位，这种独特的电子分布为后续掺杂改性提供了结构基础。

过渡金属掺杂效应
在14种TM掺杂体系中，Co@Se和Co@Te表现出显著优化的ΔG值（0.079 eV和-0.080 eV）。深入分析发现Co@Te更优的活性源于H-s与Co-dz²轨道在-6.5 eV处的深度杂化，而Pt掺杂则因H-s与Pt-s轨道在Se面形成更高能级杂化轨道，导致Pt@Se(-0.026 eV)优于Pt@Te(0.005 eV)的反常现象。

结论与展望
该研究首次证实Co掺杂Janus VSeTe单层材料具有媲美Pt的HER活性，其中Co@Te位点的ΔG值(-0.080 eV)甚至优于商业Pt/C催化剂(0.09 eV)。通过建立"掺杂元素-电子结构-催化活性"的构效关系，不仅为理解Janus材料催化机制提供了理论框架，更为设计非贵金属HER催化剂指明了新方向。研究获得山东省自然科学基金(ZR2019BA027等)支持，相关数据可为后续实验研究提供重要参考。