3d过渡金属掺杂二维Janus MoSSe的电子特性与析氢反应性能的理论预测

为解决氢能开发中析氢反应(HER)催化剂效率低的问题，研究人员通过第一性原理计算系统研究了3d过渡金属(TM)掺杂二维Janus MoSSe材料的稳定性、电子结构及HER活性。研究发现范德华(VDW)作用显著影响Fe/Ni/Cu/Zn掺杂体系的电子特性，Co顶位与Cu底位表现出优异HER性能，为新型单原子催化剂(SACs)设计提供理论指导。

　　

氢能作为解决能源危机的绿色能源备受关注，但电解水制氢过程中阴极析氢反应(HER)效率低下仍是瓶颈。二维材料因其高比表面积和可调控的电子特性，在单原子催化剂(SACs)领域展现出巨大潜力。其中，Janus结构的MoSSe因其独特的物理化学性质成为研究热点，但本征的直接带隙特性限制了应用范围。通过过渡金属掺杂调控其性能，特别是3d轨道电子丰富的Sc至Zn元素，有望突破这一限制。

云南基础研究项目支持的研究团队采用第一性原理计算(DFT)结合半经验色散修正(DFT-D)方法，系统分析了3d-TM掺杂对MoSSe稳定性、电子特性及HER活性的影响。研究通过结合能计算评估材料稳定性，利用总态密度(TDOS)和投影态密度(PDOS)分析电子结构，并计算氢吸附自由能(ΔG_H*)评价HER性能。

结合强度
Sc至Zn掺杂体系的结合能随原子序数增加而降低，这与3d-TM电负性递增相关。范德华力对稳定性的影响可忽略，但显著改变了Fe/Ni/Cu/Zn体系的电子分布。

电子特性与磁性
VDW作用使Fe掺杂体系产生自旋极化通道，Sc/Fe体系的磁矩变化达0.5μ_B。Cr/Mn/Fe掺杂诱导出显著磁性，为自旋电子器件开发提供可能。

HER性能
Co顶位和Cu底位的ΔG_H*接近理想值(0 eV)，且VDW作用不影响其活性。这种位点特异性源于TM-3d轨道与S/Se-p轨道的杂化程度差异。

该研究首次阐明VDW作用对TM-MoSSe体系的多尺度影响，揭示Co/Cu特定位点的HER活性机制。理论预测为设计高效稳定的二维基催化剂提供新思路，推动氢能技术向低成本、高性能方向发展。特别是对磁性可调体系的发现，拓展了材料在自旋催化领域的应用前景。研究成果发表于《Computational and Theoretical Chemistry》，为后续实验研究奠定重要理论基础。