摘要
在最近的一篇实验和理论相结合的文章中，基于周期性 DFT 计算与 QTAIM 分析，在原子水平上解释了当MoS2 二维材料掺杂 Mn 时，其析氢反应（HER）性能增强的原因。该工作使用 AMS 软件中的 BAND 模块，进行周期性DFT与QTAIM计算表明，将 Mn 原子掺入 MoS2 纳米片的基面，会激活所有面内 S 原子位点和与 Mn 相邻的三个 Mo 原子，从而降低 H 原子的吸附自由能，从而提高表面的 HER 催化活性（参考原文图 6）。DFT-QTAIM 计算与 Mn-MoS2 增强 HER 性能的实验数据非常一致。
为了探索掺杂对局部（接近掺杂原子）和全局的影响，计算模型选取了 32 个 H 原子全面覆盖的超胞，每个对称等价的 S 原子（总共16个）的顶部有 1 个 H 原子，另外 16 个 H 原子位于 Mo 的顶部位置（参考原文图 7）。根据 QTAIM 分析，原始的 MoS2 单层的 S 原子，与顶部的 H 原子通过共价 S-H 键吸附 H 原子，而另外的 16 个 H 原子则没有直接结合到材料表面，这就解释了为什么原始 MoS2 的基面对 HER 是惰性的。对于掺杂的 Mn-MoS2 单层，S 原子顶部的 16 个 H 保持共价键合，但 Mo 原子顶部的 16 个 H 通过弱键被S 原子吸附，并且其中一些还与 Mn 邻近的 Mo 形成弱键。因此，根据 QTAIM 的分析表明，Mn 原子掺入MoS2 的基面，催化激活所有 S 原子和与 Mn 相邻的三个 Mo。
参考文献：
H.D. Morales-Rodríguez, K. Nguyen-Ba, F. Chen, Q. Shen, R. Tu, L.M. Zhang, F.L. Castillo-Alvarado, J.I. Rodríguez-Hernández, J.R. Vargas-Garcia, Modulating the electronic structure of MoS2 nanosheets by Mn doping for improving hydrogen evolution reaction: an experimental and theoretical DFT-QTAIM study, Materials Today Comm. 38, 107786 (2024)