通过缺陷和应变工程控制Janus MoSSe的析氢反应

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0020

摘要/Abstract

摘要： Janus过渡金属二硫族化合物（TMDs）因独特的不对称结构而展现出优异的电子、光学和催化性能，在纳米催化和热电等领域具有广泛的应用前景。本研究采用第一性原理计算方法，系统研究了具有典型空位缺陷的Janus MoSSe单层的稳定性及其析氢反应（HER）性能。研究结果表明，单层Janus MoSSe在HER过程中的吉布斯自由能显著降低至约0.5 eV，明显低于原始MoSSe和传统MoS₂单层。进一步研究表明，外部应变的引入可有效调控缺陷结构Janus MoSSe的HER性能，其性能提升主要归因于缺陷区域悬空键自适应释放集中应变，从而产生显著的可调谐模式。该研究阐明了应变工程提高MoSSe HER性能的潜在机制，为基于缺陷Janus TMDs的高效HER催化剂的优化设计提供了理论依据。

关键词: 过渡金属二硫族化合物; 第一性原理; 析氢反应; 吉布斯自由能; 应变工程; 缺陷结构

Abstract: Janus transition metal dichalcogenides （TMDs） exhibit exceptional electronic， optical， and catalytic properties due to their unique asymmetric structure， showing broad application prospects in fields such as nanocatalysis and thermoelectrics. This study employs first-principles calculations to systematically investigate the stability and hydrogen evolution reaction （HER） performance of monolayer Janus MoSSe with typical vacancy defects. The results demonstrate that the Gibbs free energy of monolayer Janus MoSSe during the HER process is significantly reduced to approximately 0.5 eV， markedly lower than that of pristine MoSSe and conventional MoS₂ monolayers. Further research reveals that the introduction of external strain can effectively modulate the HER performance of defective Janus MoSSe. The performance enhancement is primarily attributed to the adaptive release of concentrated strain by dangling bonds in the defect regions， resulting in a notable tunable mode. This study elucidates the underlying mechanism of strain engineering in improving the HER performance of MoSSe， providing a theoretical foundation for the optimized design of efficient HER catalysts based on defective Janus TMDs.

Key words: transition metal dichalcogenide （TMD）; first-principle; hydrogen evolution reaction （HER）; Gibbs free energy; strain engineering; defective structure

中图分类号:

O463.36

刘劲松, 沈露, 任龙军, 黄希忠. 通过缺陷和应变工程控制Janus MoSSe的析氢反应[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(6): 1034-1041.

LIU Jingsong, SHEN Lu, REN Longjun, HUANG Xizhong. Controlling Hydrogen Evolution Reaction of Janus MoSSe by Defect and Strain Engineering[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(6): 1034-1041.

图/表 5

图1 Janus MoSSe单层缺陷结构与稳定性。（a）六种具有空位缺陷的Janus MoSSe单层的原子构型（上）和相应的STM图像（下）；（b）形成能；（c）面缺陷密度

Fig.1 Structure and stability of monolayer defected Janus MoSSe. （a） Atomic configurations （top） and corresponding STM images （bottom） of six Janus MoSSe monolayers with vacancy defects；（b） formation energy；（c） surface defect density

图2 缺陷Janus MoSSe的HER特性。VMo（a）、VS（b）、VSe（c）、VSeS（d）、VMoS3（e）和VMoSe3（f）的最稳定吸附位；（g）吉布斯自由能

Fig.2 HER characteristics of defected Janus MoSSe. Most stable adsorption sites for VMo （a）， VS （b）， VSe （c）， VSeS （d）， VMoS3 （e）， and VMoSe3 （f）；（g） Gibbs free energy

图3 缺陷MoSSe单层的电子性质。（a）投影态密度；（b）电荷密度差；（c）投影带中心

Fig.3 Electronic properties of defected MoSSe monolayer. （a） Projected density of states；（b） charge density difference；（c） projected band centers

图4 缺陷MoSSe单层的应变相应。（a）吉布斯自由能；（b）功函数与内建电场

Fig.4 Strain response of defected MoSSe monolayer. （a） Gibbs free energy；（b） work function and built-in electric field

图5 不同的外应变下MoSSe单层的差分与结构。（a）缺陷MoSSe与VMo构型单层的键应变和电荷密度差；（b）Bond-a和Bond-b的黏结应变和外部应变之间的关系

Fig.5 Difference and structure of MoSSe monolayer under different external strains. （a） Bond strain and charge density difference of defect MoSSe and VMo configuration monolayers；（b） relationship between bond strain and external strain for Bond-a and Bond-b

参考文献 20

1	GEIM A K， NOVOSELOV K S. The rise of graphene［J］. Nature Materials， 2007， 6（3）： 183-191. DOI PMID
2	陈华强，陶应啟，李晓静，等. 化学气相沉积法及机械混合法添加石墨烯对铜铬触头性能的影响［J］. 功能材料， 2023， 54（12）： 12148-12153+12162.
	CHEN H Q， TAO Y Q， LI X J， et al. Theeffects of mechanical mixing and chemical vapor deposition doping graphene on the CuCr contact［J］. Journal of Functional Materials， 2023， 54（12）： 12148-12153+12162 （in Chinese）.
3	司君山，杨志雄，张卫兵. 双层过渡金属三卤化物层间磁性研究现状［J］. 物理学进展， 2022， 42（4）： 147-157.
	SI J S， YANG Z X， ZHANG W B. Research status of interlayer magnetism for bilayer transition metal trihalides［J］. Progress in Physics， 2022， 42（4）： 147-157 （in Chinese）.
4	郭伟华，徐惠玲，徐杭林，等. 功能化石墨烯-二硫化钼复合材料修饰电极对亚硝酸盐的电化学传感研究［J］. 分析化学， 2024， 52（11）： 1766-1774.
	GUO W H， XU H L， XU H L， et al. Functionalized graphene-molybdenum disulfide-based electrochemical sensor for detection of nitrite［J］. Chinese Journal of Analytical Chemistry， 2024， 52（11）： 1766-1774 （in Chinese）.
5	张　梦，聂广泽，仲兆祥. 宽层间距MoS₂纳米片对水中重金属Cu（Ⅱ）的吸附性能研究［J］. 离子交换与吸附， 2024， 40（6）： 469-480.
	ZHANG M， NIE G Z， ZHONG Z X. Adsorption performance of Cu（Ⅱ） on molybdenum disulfide nanosheets with wide interlayer spacing［J］. Ion Exchange and Adsorption， 2024， 40（6）： 469-480 （in Chinese）.
6	雷莎莎，龚巧瑞，赵呈春，等. 宽禁带半导体ZnGa₂O₄研究进展［J］. 人工晶体学报， 2024， 53（8）： 1289-1301.
	LEI S S， GONG Q R， ZHAO C C， et al. Research progress of wide bandgap semiconductor ZnGa₂O₄ ［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2024， 53（8）： 1289-1301 （in Chinese）.
7	孙　薇，孙鸿智，赵　波，等. 双轴应变调控下单层双面神结构MoSSe拉曼光谱的理论研究［J］. 辽宁石油化工大学学报， 2024， 44（1）： 35-42.
	SUN W， SUN H Z， ZHAO B， et al. Theoretical study on Raman spectra of Janus MoSSe single-layer under bi-axial strain［J］. Journal of Liaoning Petrochemical University， 2024， 44（1）： 35-42 （in Chinese）.
8	周春起，张　会，礼楷雨. Janus二维双层MoSSe/WSSe异质结光电性质的第一性原理研究［J］. 人工晶体学报， 2023， 52（9）： 1668-1673.
	ZHOU C Q， ZHANG H， LI K Y. First-principles study on photoelectric properties of Janus two-dimensional bilayer MoSSe/WSSe heterostructures［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2023， 52（9）： 1668-1673 （in Chinese）.
9	张宇航，李孝宝，詹春晓，等. 单层MoSSe力学性质的分子动力学模拟研究［J］. 物理学报， 2023， 72（4）： 046201.
	ZHANG Y H， LI X B， ZHAN C X， et al. Molecular dynamics simulation study on mechanical properties of Janus MoSSe monolayer［J］. Acta Physica Sinica， 2023， 72（4）： 046201 （in Chinese）.
10	孙鸿智，孙　薇，赵　波，等. 单层Janus MoSSe双共振拉曼散射的理论研究［J］. 辽宁石油化工大学学报， 2022， 42（3）： 30-36.
	SUN H Z， SUN W， ZHAO B， et al. Theoretical study on double resonant Raman scattering in Janus MoSSe monolayer［J］. Journal of Liaoning Petrochemical University， 2022， 42（3）： 30-36 （in Chinese）.
11	张海英，邱云峰，冯继臣，等. MoGe₂N₄， Janus MoSiGeN₄单层本征性质的第一性原理［J］. 高师理科学刊， 2024， 44（10）： 58-64.
	ZHANG H Y， QIU Y F， FENG J C， et al. First-principles of intrinsic properties of MoGe₂N₄ and Janus MoSiGeN₄ monolayers［J］. Journal of Science of Teachers’ College and University， 2024， 44（10）： 58-64 （in Chinese）.
12	刘明阳，房　媛，付艳红，等. 新型Janus二维材料VSiN₃电子结构和电极化特性的理论研究［J］. 云南大学学报（自然科学版）， 2024， 46（6）： 1101-1110.
	LIU M Y， FANG Y， FU Y H， et al. Theoretical study on the electronic structure and electric polarization properties of a new Janus two-dimensional material VSiN₃ ［J］. Journal of Yunnan University （Natural Sciences Edition）， 2024， 46（6）： 1101-1110 （in Chinese）.
13	BLÖCHL P E. Projector augmented-wave method［J］. Physical Review B， 1994， 50（24）： 17953-17979. DOI PMID
14	汪　涛，张于浩，殷海荣. 基于密度泛函理论的NaTaO₃的结构设计及光催化抗菌性能研究［J］. 人工晶体学报， 2024， 53（6）： 1051-1060.
	WANG T， ZHANG Y H， YIN H R. Structural design and photocatalytic antimicrobial properties of NaTaO₃ based on density functional theory［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2024， 53（6）： 1051-1060 （in Chinese）.
15	鲍爱达，马永强，郭　鑫. GaSe/ZnS异质结的结构和界面性质的第一性原理研究［J］. 人工晶体学报， 2024， 53（4）： 669-675.
	BAO A D， MA Y Q， GUO X. First principles study on the structure and interface properties of GaSe/ZnS heterostructure［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2024， 53（4）： 669-675 （in Chinese）.
16	GREST G S， NAGEL S R， RAHMAN A， et al. Density of states and the velocity autocorrelation function derived from quench studies［J］. The Journal of Chemical Physics， 1981， 74（6）： 3532-3534.
17	KRESSE G， FURTHMÜLLER J. Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set［J］. Computational Materials Science， 1996， 6（1）： 15-50.
18	PERDEW J P， BURKE K， ERNZERHOF M. Generalized gradient approximation made simple［J］. Physical Review Letters， 1996， 77（18）： 3865-3868. DOI PMID
19	GRIMME S. Semiempirical GGA-type density functional constructed with a long-range dispersion correction［J］. Journal of Computational Chemistry， 2006， 27（15）： 1787-1799. PMID
20	KRESSE G， JOUBERT D. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method［J］. Physical Review B， 1999， 59（3）： 1758-1775.

[1]	莫秋燕, 吴家隐, 荆涛. Pt修饰AlN单层对C₂H₆和C₆H₆吸附和气敏特性的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(6): 1050-1060.
[2]	任龙军, 柴什虎, 王付远, 姜萍. 具有超高载流子迁移率单层C₂B₆的预测[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(5): 850-856.
[3]	崔健, 和志豪, 丁家福, 王云杰, 万俯宏, 李佳郡, 苏欣. 含d¹⁰电子构型钨酸盐结构与性能关系的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(5): 841-849.
[4]	解忧, 肖潇飒, 姜宁宁, 张涛. 二维BC₆N/BN横向异质结的电学输运性质研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(5): 825-831.
[5]	闵月淇, 谢文钦, 谢亮, 安康. Pd掺杂调控CsPbX₃(X=Cl,Br,I)光电性能研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(4): 605-616.
[6]	张家琪, 林雪玲, 田文虎, 马文杰, 张秀, 马小伟, 朱巧萍, 郝睿, 潘凤春. 应变对Si掺杂A-TiO₂光学性质影响的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(4): 617-628.
[7]	李琪, 付博, 余博文, 赵昊, 林娜, 贾志泰, 赵显, 陶绪堂. Al/In掺杂与β-Ga₂O₃(100)面孪晶相互作用的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(3): 371-377.
[8]	郭满意, 吴佳兴, 杨帆, 王超, 王艳杰, 迟耀丹, 杨小天. ε-Ga₂O₃晶体及其本征缺陷的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(2): 212-218.
[9]	陈鸿明, 范胜琪, 宋琪, 蒋玲, 陈拥军, 李建保, 张雪艳. Ni掺杂Mo₂C/C双功能催化剂的制备及其电解水性能的研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(1): 158-164.
[10]	莫秋燕, 张颂, 荆涛, 吴家隐. SO₂和CO在ReS₂表面吸附的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(1): 107-114.
[11]	张宁宁, 鱼海涛, 刘艳艳, 薛丹. 4d过渡金属掺杂单层WS₂的电子结构和光学性质研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(1): 77-84.
[12]	王云杰, 和志豪, 丁家福, 苏欣. X₂(PO₄)₂(X=Ba、Pb)和XPO₄(X=Y、Bi)中阳离子对结构框架影响及双折射率来源研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(1): 85-94.
[13]	丁家福, 和志豪, 王云杰, 苏欣. 通过硫代调控Ga、In、Tl磷酸盐光学性质的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(1): 95-106.
[14]	郑权, 刘学超, 王浩, 朱新峰, 潘秀红, 陈锟, 邓伟杰, 汤美波, 徐浩, 吴鸿辉, 金敏. 铝掺杂对硒化铟晶体结构与性能的影响[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(9): 1528-1535.
[15]	焦思慧, 吴红萍, 俞洪伟. CsBa₂ScB₈O₁₆:首例结构中同时含有零维[B₃O₆]基元和一维B—O链的稀土硼酸盐[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(9): 1550-1559.