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研究背景

研究二維材料的析氫反應（HER）能力對緩解能量問題具有重要意義。在HER中使用二維材料作為光催化劑是一種流行的策略，因其具有較大的比表面積可以為水的中間體提供更多的活性位點。南京林業大學任凱和西安交通大學Huasong Qin等人通過第一性原理計算，系統地探討了MX₂Y₄（M = Cr、Hf、Mo、Ti、W、Zr；X = Si、Ge；Y = N、P、As）單分子層的力學、電子和催化性能。希望其在光催化、電催化和光伏器件等領域發揮應用潛力。

計算方法

本文采用VASP軟件包對其催化性能及電子性質進行理論研究，計算基于廣義梯度近似(GGA)下的PBE泛函計算電子交換相關性，通過HSE06泛函計算能帶，為了避免層間的相互作用，將Z方向的真空空間設置為25 ?。截斷能設置為400 eV，將能量和最大力的收斂公差分別設為1× 10^-5 eV/atom和0.02 eV·?^-1。

結果與討論

作者選擇了9個典型的MX₂Y₄單層作為研究體系，首先對具有三明治狀結構的六角形MX₂Y₄單層進行了優化，如圖1所示。其中MoSi₂As₄單分子層的最大晶格常數為3.618 ?。計算得到的這些體系的鍵長和厚度也與之前的結果一致。用從頭算分子動力學（AIMD）模擬，發現MX₂Y₄在室溫下表現出其優異的熱穩定性。

圖1 晶體結構圖

對上述結構進行力學性能計算，圖2為不同MX₂Y₄的楊氏模量和泊松比。計算得到的獲得的WSi₂N₄單層的最大楊氏模量為514 N·m^-1，大于石墨烯單層的最大楊氏模量(340 N·m^-1)計算得到MoSi₂As₄單分子膜的最小楊氏模量為165 N·m^-1，也大于其他報道的二維材料。同時，在這些MX₂Y₄中也發現了各向同性的平面內泊松比，其值在0.264 ~ 0.327之間，與MoS₂的平面內泊松比相當(約為0.3)。

圖2 MX₂Y₄的楊氏模量和泊松比

接下來，進一步研究MX₂Y₄的應變效應，應力與應變的關系如圖3所示。可以看到，TiSi₂N₄在拉伸應變為30%的范圍內沒有出現斷裂應變。而CrSi₂N₄、HfSi₂N₄、MoGe₂N₄、MoSi₂As₄、MoSi₂N₄、MoSi₂P₄、WSi₂N₄和ZrSi₂N₄單分子層的斷裂應變分別為29%、28%、28%、26%、29%、26%、29%和23%，沿x方向強度分別為55 N·m^-1、38 N N·m^-1、39 N·m^-1、17 N·m^-1、54 N·m^-1、21 N·m^-1、57 N·m^-1和35 N·m^-1。除了MoSi₂As₄和MoSi₂P₄外，其他結構表明沿y方向存在明顯的屈服極限。特別是，WSi₂N₄的最大應變屈服極限約為18%，強度約為55 N·m^-1，具有較大的泊松比，具有良好的韌性。

圖4 MX₂Y₄的應力-應變關系

本文利用HSE06泛函計算MX₂Y₄的能帶結構，如圖4所示。除MoSi₂As₄和MoSi₂P₄單層外，其余均為間接帶隙。MoSi₂As₄和WSi₂As₄的帶隙估計分別為1.790 eV和2.048 eV，這與之前的報道一致。HfSi₂N₄、MoSi₂N₄、TiSi₂N₄、WSi₂N₄和ZrSi₂N₄具有良好的帶隙(大于1.23 eV)，是潛在的水裂解光催化劑，其帶邊位置可誘導析氫反應(HER)和析氧反應更快的發生。

圖4 MX₂Y₄的能帶結構

由電子結構得到MX₂Y₄單層的載流子遷移率(圖5)。顯然，TiSi₂N₄單層具有高度各向異性載流子遷移率。計算得到的沿y方向的電子遷移率大約是沿x方向的73倍。對于空穴，ZrSi₂N₄單分子層也是各向異性的，y方向的遷移率是x方向的10倍左右，這解釋了TiSi₂N₄和ZrSi₂N₄單分子層在y方向上具有良好的載流子遷移。

此外，HfSi₂N₄ (x方向)、MoSi₂As₄ (x和y方向)、MoSi₂N₄ (x和y方向)、MoSi₂P₄ (x方向)、TiSi₂N₄ (x方向)、WSi₂N₄ (x方向)、CrSi₂N₄ (x方向)、ZrSi₂N₄(y方向)同樣體現出來各向異性的載流子遷移率，可以作為光催化劑。更重要的是，TiSi₂N₄單分子層中沿y方向的超快電子遷移率被計算為10370 cm²·V ^-1·s ^-1，優于最近報道的新型二維材料，在新型電子器件的研發方面有著廣泛的應用前景。

圖5 MX₂Y₄的電子/空穴在不同方向的載流子遷移率

最后對以上結構的電催化析氫能力進行探究。計算出的MoSi₂N₄和MoSi₂N₄單分子層的ΔG_H*分別為2.33 eV和2.58 eV。同時，TiSi₂N₄和ZrSi₂N₄的吉布斯自由能分別低至0.078 eV和0.035 eV，位于火山曲線峰值附近，因此這些MX₂Y₄材料都可以作為HER的潛在催化劑。

圖6 MX₂Y₄的析氫自由能及火山曲線

結論與展望

本文利用第一性原理計算，系統地研究了MoSi₂N₄新型二維材料的結構、力學和電子特性。在彈性模量、載流子遷移率及HER方面均有著優異的性能規律。這可以為新型二維材料的應用提供良好的理論基礎。

文獻信息

Ren, K., Shu, H., Wang, K., & Qin, H. (2023). Two-dimensional MX₂Y₄ systems: Ultrahigh carrier transport and excellent hydrogen evolution reaction performances.?Physical Chemistry Chemical Physics.

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【純計算】PCCP：二維MX2Y4體系—超高的載流子輸運和優異的析氫反應性能

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