背景：
硼烯和二硫化鉬因其優異的高比表面積而成為很有前途的二維功能材料。 然而，由於其不穩定性和惰性底物，它在析氫反應中表現不佳。 異質結構是一種有效的結構，它結合了各組分的優點，以達到協同效能。 潘勇，西南石油大學採用第一性原理方法構建了硼MOS2的二維異質結構，以改善其在析氫催化反應中的應用特性。
模型和計算方法
採用Materials Studio 軟體包的 DMOL3 模組從理論上研究了電催化析氫效能和電子性質，在廣義梯度近似（GGA）下基於PBE泛函計算了電子交換相關性，通過DNP基組處理核心電子，並通過Cosmo模擬了真實水溶液中的反應。 四種堆疊方式下的異質結構如圖1所示。
圖1不同堆疊方式下硼MOS2的異質結
結果與討論
通過對地層能的計算，發現borene@mo-s MOS2和borene@mo MOS2更穩定。 圖2顯示了兩種異質結構的模型、能帶圖和態密度。 可以發現，兩種堆疊方式的電子結構幾乎完全相同，後續的計算將用borene@mo-s mos2進行。 圖 3 顯示了其餘三個模型的電子特性，其中原始 borene 具有金屬特性。 原2H相二硫化鉬的帶隙約為1696 ev。這種贗間隙限制了導帶和價帶之間的電子傳輸，不利於催化效能。
孔@mos2異質結構中沒有能隙。 結果表明，異質結可以調節半導體的贗間隙。 這歸因於異質介面周圍電荷的重新分布，這改善了原始二硫化鉬的電子傳輸。 鉬在費公尺能級附近的導帶和價帶之間表現出強烈的離域行為。 B原子的電子態與Mo原子和S原子的佔據態和未佔據態同時雜化，表現出離域行為。 此外，borene@s2 MOS2的協同作用更強，有利於HER的進展。
圖2borene@mo-s mos2和borene@mo mos2的電子結構
圖3borene@mo-s mos2、borene@s1 mos2 和 borene@s2 mos2 狀態的能帶和密度
質子h吸附位置設計如圖4所示。 結果表明，borene@mo-s mos2在HE處具有最好的HER活性（自由能為-0。086ev）。@s1 MOS2的最佳吸附位點為HA，其氫吸附吉布斯自由能約為-0037ev。硼@s2 mos2的最佳吸附位點也是Ha，其氫吸附吉布斯自由能約為-0024ev。此時，HER活性遠高於單獨使用MOS2電催化劑，表明非均相異質結構的組成是優化體系催化析氫效能的有效途徑。
圖4Borene@mos2析氫位置
然後計算催化劑的火山曲線和理論過電位，如圖5所示。 在火山曲線中，峰位的催化能力較好，因此borene@s1 MOS2和borene@s2 MOS2兩種異質結構具有較好的HER活性。 理論上的過電位也證實了這一結論，過電位越小，H還原過程越容易進行。 這些結果表明，borene@s2 MOS2催化劑在吸附氫氣過程中可以提供更高的交換電流和更低的能量損失。 這有助於析氫反應中硼@s2 mos2吸附和釋放氫氣，在析氫反應中催化活性最好。
圖5異質結氫、自由能和火山曲線
三種異質結構催化劑析氫後能帶和態密度的變化如圖6所示。 雖然H原子的電子數只有1，但吸附在催化劑表面後的複雜相互作用改變了整個體系的電子性質。 比較原始結構的電子性質（圖3），發現吸附結構在價帶區域具有明顯多於原始結構的能帶。 這種現象在硼@s2 mos2的能帶圖中尤為明顯，這是硼@s2 mos2催化析氫反應效能優於其他兩種異質結的主要原因。 雖然氫的吸附在一定程度上削弱了硼縷與MOS2之間的相互作用，但氫與二維材料的雜化優化了整體結構的載流子遷移能力。
同時，H在borene@mo-s MOS2結構中的位置同時導致兩層材料中的電子耗盡，導致H雜化增強，這也是析氫自由能大的原因。 在 borene@s1 mos2 的 HA 位點，氫的吸附似乎只與硼烷相互作用。 二硫化鉬不參與此過程。 borene@s2 MOS2異質結中的氫吸附位點被包裹在乙個電子耗盡區，隨後是電子的積累，S參與了整個動態反應過程，證實了該結構具有成為優良HER催化劑的潛力。
圖6析氫後borene@mo-s mos2、borene@s1 mos2和borene@s2 mos2狀態的能帶和密度
催化劑的光吸收曲線可以直觀地反映催化劑在紅外可見紫外光譜中的光激發能力。 圖7顯示了borene@mo-s MOS2、borene@s1 MOS2和borene@s2 MOS2的吸收光譜波長。 所有孔徑MOS2異質結在紫外區域都具有很強的吸收性。 在100 nm和200 nm的波長範圍內出現了兩個峰值，表明它們對紫外光具有優異的吸收性。 在可見光波長範圍內，三種孔徑MOS2異質結也具有一定程度的光響應。
然而，這三種異質結在紅外區的光活性較弱，而對於孔@s2 mos2結構，在紫外區（30 100 nm）的光吸收係數大於其他兩種異質結，表明borene@s2 mos2可以吸收更多的光子。 更強的光吸收意味著可以啟用更多的光生載流子，誘導HER和OER的進展。
圖7異質結光吸收光譜
結論與展望
本文通過異質結構建了兩種本徵HER活性較差的材料，進一步提高了催化反應活性。 採用堆疊法和H吸附位點的選擇計算了具有優異HER能力的催化劑。 這可以為其他新型二維材料異質結構增強電子活性提供研究依據。
書目資訊
yu, e., pan, y. (2022). catalytic properties of borophene/mos2 heterojunctions for hydrogen evolution reaction under different stacking conditions. journal of materials chemistry a.