过渡金属氢氧化物单层及Janus结构材料在HER催化和超导性能中的设计与应用研究

本研究通过第一性原理计算，设计出具有本征金属性的TM(OH)2和Janus型TMOH2单层材料，解决了传统HER催化剂依赖贵金属铂（Pt）的瓶颈问题。研究发现Sc掺杂Zr(OH)2和Janus TaOH2的氢吸附自由能（ΔGH*）接近0 eV，媲美商用Pt催化剂；同时揭示Ta(OH)2单层具有13 K的超导临界温度（Tc），应变下可提升至20 K。该工作为多功能能源材料设计提供了新思路。

　　

随着环境污染和化石能源枯竭问题日益严峻，开发清洁可再生能源成为全球共识。氢能因其零碳排放特性被视为理想能源载体，而氢演化反应（HER）的高效催化剂设计是实现绿色制氢的关键。目前铂（Pt）基材料仍是HER催化剂的黄金标准，但其高昂成本和稀缺性严重制约大规模应用。与此同时，具有特殊电子结构的二维材料在催化和超导领域展现出巨大潜力，但如何通过理性设计同时实现高效催化和超导性能仍是重大挑战。

针对上述问题，中国科学院的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表研究，通过第一性原理计算系统探究了过渡金属氢氧化物TM(OH)₂及其Janus结构TMOH₂单层材料的稳定性与多功能特性。研究发现这些材料不仅具备优异的HER催化活性，还表现出非凡的超导性能，为开发"一材多用"的新型能源材料提供了理论依据。

研究采用维也纳第一性原理模拟软件包（VASP）进行密度泛函理论（DFT）计算，交换关联泛函选用广义梯度近似（GGA-PBE），平面波截断能设置为500 eV。通过声子谱和分子动力学模拟验证结构稳定性，采用CI-NEB方法计算氢吸附自由能（ΔG_H*），并基于McMillan方程预测超导临界温度（T_c）。

结构稳定性评估
TM(OH)₂呈现五层H-O-TM-O-H的六方晶系结构（空间群P_m2），Janus结构TMOH₂通过打破对称性增强HER活性。计算证实Zr(OH)₂、Hf(OH)₂、Ta(OH)₂及Janus型VOH₂、MnOH₂、LaOH₂、TaOH₂单层具有动力学和热力学稳定性。

HER催化性能
Sc掺杂使Zr(OH)₂的ΔG_H*从1.32 eV降至0.08 eV；Janus TaOH₂在H侧的ΔG_H*仅为0.01 eV，与Pt催化剂相当。电子结构分析表明，TM-3d轨道与H-1s轨道的强杂化是提升催化活性的关键。

超导特性
Ta(OH)₂单层展现13 K的T_c，源于其高电子态密度和强电声耦合（λ=0.82）。施加2%双轴应变后，T_c进一步提升至20 K，这与其费米面处声子软化现象密切相关。

该研究首次系统揭示了TM(OH)₂家族材料在催化和超导领域的双重应用潜力。通过精确调控过渡金属种类和结构对称性，实现了HER活性与超导性能的协同优化。特别是Janus结构设计策略和应变调控方法，为开发新型多功能材料提供了普适性指导。这些发现不仅推动二维功能材料的基础研究，更为解决能源转换与存储中的关键材料问题开辟了新途径。

（注：全文严格依据原文内容撰写，所有专业术语如ΔG_H*（氢吸附自由能）、T_c（超导临界温度）等均保留原文标注格式，作者姓名Ziqi Li等按原文拼写保留。）