利用光催化技術進行水分解是獲取氫能的重要手段。 目前，大多數光催化劑光激發載流子復合率高，可見光利用效率低，氧化還原反應活性位點少，不利於光生載流子參與催化反應。 MOS2是一種潛在的光催化劑材料，但其析氫效能受到邊緣不飽和位點（Mo和S）數量和催化惰性基底的限制。
姚曼，大連理工大學等人利用N+F共摻雜MOS2通過電荷補償提高光化學活性。 此外，引入應變工程來調控二硫化鉬的帶緣位置，並介紹了摻雜和應變對MOS2光催化效能的影響。
模型和計算方法
本文在大連理工大學姚滿教授課題組的計算工作中，利用Materials Studio軟體包的CASTEP模組對析氫效能進行了理論研究揭示了磷化物表面空位的水分分解氫的反應機理。
在廣義梯度近似（GGA）下，基於PEB泛函計算了電子交換相關性，並用平面波超軟贗勢法描述了電子-離子相互作用。 由於GGA-PBE函式往往會低估帶隙，因此使用HSE06混合函式進行帶隙計算。 圖1顯示了原始的二硫化鉬結構和N+F共摻雜MOS2結構。
圖1原始和摻雜的二硫化鉬單層的側檢視。
結構與討論
首先，作者計算了催化劑的形成能，當N+F共摻雜時，體系更穩定，富Mo的MoS2在摻雜時更穩定。 其次，研究了催化劑介面不同位點對水分子和質子H的吸附情況，發現雜原子的摻雜可以提高二硫化鉬的HER和OER活性。 分子的吸附位點均在n原子附近，說明n原子對提高催化活性起主要作用，f原子的摻雜可以刺激n位的活性，協同啟用二硫化鉬的催化惰性底物。 其中，I型影響最為顯著，ΔGH為-0081EV，析氧反應速率測定步驟（O* OOH*）為1751 EV （在水氧化平衡電位下，U=1。23ev）。
圖2二硫化鉬不同結構的形成能以及HER和OER的反應自由能。
隨後，描述了MOS2和Type I的光電特性（圖 3）。 MOS2是一種直接帶隙材料，只是電子躍遷過程中能量發生變化，動量不變，不需要額外的聲子作用，更容易形成光生載流子，量子效率更高。
I型也是直接帶隙，帶隙收縮，有效地促進了電子遷移。 在共摻雜下，電荷轉移濃度同樣增加，從Mo原子中可以得到乙個原始二硫化鉬的S原子024 e。對於I型，流向N原子和F原子的Mo原子的Mullikrn電荷數可以分別增加到0。58 e 和 034 e、催化劑的結合能力得到提高。 此外，N+F摻雜可以增強二硫化鉬在可見光區域的光吸收能力，有利於光生載流子的產生。
（圖 3）。 在光電效能圖S7中發現了Mos2和Type I，摻雜位置不能有效提高H還原能力。 下乙個作者計算了I型在拉伸和壓縮應變下的帶隙，圖S8使用聲子譜來確認應變調節不會影響催化劑本身的穩定性。 圖4顯示了I型在不同應變速率下的能帶排列，可以看出應變可以充分調節催化劑的能帶位置，I型催化劑在壓縮應變下（應變率為-2%）具有降低H的能力。
圖4I型在不同應變率下的帶狀排列。
最後，研究了I.型催化劑在應變作用下的HER和OER自由能。 應變效應影響N、F原子對催化劑的協同作用以及Mo、S原子之間的偶聯作用，進而改變電子結構。 在HER中，雙軸壓縮應變保留了優異的析氫自由能。 雖然壓縮應變為3%，但也具有H還原活性，但帶隙轉化為間接帶隙，降低了電子跳躍能力。 然後計算壓縮應變為2%的I型催化劑，過電位為1797 EV，儘管略高於原始 I 型催化劑的過電位 （1751EV），但仍然保持著優異的OER活性。結合能帶排列原理，不難發現I型適用於壓縮應變條件下的水**反應。
圖5I型：不同應變率下的HER自由能和2%應變率為OER自由能。
結論與展望
本文基於電荷補償的思想，設計了共摻雜二硫化鉬，以提高光吸收能力，提高催化活性位點和光生載流子的遷移率，進而提高HER和OER的反應效率。 進一步引入應變工程調整帶對齊，發現水的氧化和還原均可發生在帶隙區域，為雜原子共摻雜和應變工程調控的催化能力提供了重要的研究依據。
書目資訊
zhao, t., chen, j., wang, x., yao, m. (2022). enhanced photocatalytic activity of mos2 via n+ f codoping and strain engineering: a first-principles investigation. applied surface science, 154881.