二维材料催化计算通过电子结构分析（能带、态密度、差分电荷）与性能对比工具（吸附能、d带中心理论）揭示催化机制。
结合过渡态计算、AIMD动态模拟及火山图筛选，精准优化反应路径与活性位点设计，为高效催化剂开发提供多维度理论支撑。
电子结构分析
能带与态密度（DOS）
电子结构分析通过能带与态密度（DOS）计算揭示了材料导电性、催化活性与光响应的微观机制。
例如，二维M₂X₂（M=Mo/W，X=F/Cl）的PBE泛函能带显示三条能带横穿费米能级，证实其金属导电特性；而VS₂吸附锂原子后导带底显著下移，表明锂掺杂可定向调控载流子浓度。
态密度分析进一步解析电子分布规律：CeO₂/CdZnS异质结中Cd的d轨道与S的p轨道在费米能级附近强耦合，带隙降至2.83 eV，优化了光催化产氢的电荷分离效率；
分波态密度（PDOS）则精准定位活性位点，如MoS₂中Mo的d带中心位置直接调控H*吸附强度，为催化剂设计提供原子级电子结构依据。
这类计算策略从量子尺度关联材料本征特性与宏观性能，成为光/电催化材料理性设计的核心工具。
DOI：10.3969/j.issn.1000 1565.2024.06.005
差分电荷与Bader电荷
差分电荷密度（Δρ）与Bader电荷分析为材料界面电荷转移机制提供了定性与定量研究手段。
差分电荷密度可视化显示，LAO/KNO超晶格界面处KNO的O原子失去电子，而LAO的O与Nb原子获得电子，形成局域二维电子气，揭示了异质结界面电荷再分布的空间特征；
Bader电荷定量计算则表明，VS₂中每个S原子向V原子转移0.35 e⁻，表面电负性显著增强，直接影响吸附物种的电子相互作用。
这类分析策略不仅精准定位电荷转移路径，还通过电子密度差异与原子电荷量的数值关联，为界面工程、催化活性位点设计及载流子调控提供了多尺度电子结构依据，成为解析材料表界面性能优化的核心方法。
DOI：10.7498/aps.72.20230573
功函数与电子局域函数（ELF）
功函数与电子局域函数（ELF）是解析材料表面电子行为与键合特性的关键参数。
功函数表征电子逸出材料表面的难易程度，例如二维富勒烯网络（如C₆₀准六方相）的功函数范围为4.6-5.2 eV，与石墨烯相近，表明其作为电子传输层的高效性。
ELF分析进一步揭示其C-C键的电子局域化程度介于石墨烯（完全离域）与金刚石（强局域）之间：石墨烯的离域电子赋予高导电性，而富勒烯网络适中的局域化使其兼具柔性结构与导电能力，这一特性在柔性电子器件设计中极具应用潜力。
通过量化功函数与ELF的空间分布，可精准调控材料的界面电子输运与机械性能，为新型功能材料的跨尺度设计提供理论支撑。
DOI：10.11776/i.issn.1000-4939.2025.01.010
性能对比
吸附能与台阶图
吸附能与自由能台阶图是评估催化剂性能的核心理论工具。吸附能（ΔG）直接关联催化活性，例如MoS₂的硫空位在-2%应变调控下，氢吸附能ΔG_H优化至接近0 eV，与铂（Pt）的析氢反应（HER）活性相当，揭示了应变工程对活性位点的调控潜力。
自由能台阶图通过可视化多步反应路径的吉布斯自由能变化，定位速率决定步骤（RDS）——如析氧反应（OER）中O→OOH步骤的ΔG差需压缩至0.3 eV以下以突破过电位限制。
这类分析不仅定量解析催化剂的活性极限，还为通过应变、缺陷或掺杂策略优化反应路径提供了动态能量基准，成为设计高效电催化剂的理论指南。
DOI：10.1002/adma.201807001d带中心理论
d带中心理论通过量化过渡金属的d轨道能级位置（ε_d）与吸附强度的线性关系，为催化剂设计提供了原子级调控依据。
例如，Pt(111)的d带中心位于-2.1 eV，而Pt₃Ni合金中ε_d下移至-2.8 eV，削弱氧中间体（O*）的吸附强度，显著提升氧还原反应（ORR）活性；
类似地，C₂N负载的Fe三聚体通过调控ε_d至-1.5 eV，优化CO₂还原路径，将产物选择性导向CH₄而非竞争产物CO或HCOOH。
这种基于d带中心的电子结构调控策略，不仅揭示了催化剂活性与选择性的内在关联，更为精准设计高效多相催化剂（如合金、单原子或团簇体系）提供了理论范式，推动电催化反应从基础研究向工业应用的转化。
DOI：10.7498/aps.73.20231681
掺杂能与形成能
掺杂能与形成能计算是评估材料改性可行性与结构稳定性的关键指标。掺杂能（E_dopant）定量表征异质原子替代的倾向性，例如VS₂中不同金属替代V的掺杂能计算，为过渡金属硫化物的可控掺杂提供了热力学依据；
而二维Mo₂C的空位形成能计算，判断其结构在极端条件下（如高电压或离子嵌入）是否仍可以保持完整性，避免晶格坍塌引发的性能衰减。
这类计算不仅指导掺杂策略的理性设计（如选择低形成能掺杂元素以提升合成效率），还可通过筛选高形成能缺陷构型，优化材料的机械与电化学稳定性，为开发高耐久性储能器件或高效催化剂奠定理论基石。
DOI：10.1016/j.comptc.2025.115098
个性化分析
过渡态计算
过渡态计算通过定位势能面鞍点解析反应动力学，结合密度泛函理论（DFT）为二维材料的性能优化与机理研究提供了原子级视角。
在二维材料体系中，针对离子扩散迁移、水解离等复杂反应，过渡态理论计算脱附速率并优化路径能垒。电子输运特性研究中，DFT联合非平衡格林函数（NEGF）模拟MXene异质结的量子输运行为，揭示其光电性能调控机制。
当前挑战包括泛函精度（如HSE06修正PBE低估能垒问题）与计算效率平衡，解决方案涉及DIMER算法优化及机器学习辅助高通量筛选。
这些方法不仅支撑了Ni-NiOAPc等导电金属有机框架的设计，还推动二维材料从基础研究向光电器件、高效催化等应用的跨越式发展。
DOI：10.1016/j.ensm.2024.103357
COOP/COHP计算
COOP（晶体轨道重叠布居）与COHP（晶体轨道哈密顿布居）是基于密度泛函理论（DFT）的键合分析工具，分别通过电子密度重叠与能量贡献解析原子间相互作用。
COOP通过态密度（DOS）与重叠矩阵的乘积量化轨道重叠，正值表征成键态，负值对应反键态；而COHP采用哈密顿矩阵非对角元加权DOS，其成键态（能量稳定）表现为负值，反键态为正值，通常绘制“-COHP”曲线以直观区分。
在二维材料如MoS₂中，COHP可定量评估金属–硫键强度（通过费米能级以下的积分值ICOHP），并揭示石墨烯边缘态或MXene表面官能团的界面耦合机制。
计算时需通过VASP进行静态模拟（ISYM=0，调整NBANDS），结合Lobster程序重构原子轨道投影，例如载锂二维CuSe中Li与Se的p轨道在费米能级附近呈现强成键特征，反键峰分布于高能区，ICOHP定量比较键稳定性差异。
这类分析为二维材料的催化位点优化、界面电子传输设计及键合强度调控提供了微观电子结构依据。
DOI：10.7498/aps.72.20230093
火山图与活性筛选
火山图通过吸附自由能（ΔG）与催化活性的关联构建火山型曲线，顶点区域对应活性最优催化剂。例如，在氧还原反应（ORR）中，Pt₃Co因ΔG_OH值优化至0.3 eV，过电位最低，成为火山顶点的高效催化剂。
而在CO₂还原反应（CO₂RR）研究中，机器学习辅助的卷积神经网络（CNN）模型通过混合描述符（如电荷转移量、d带中心）预测极限电位，筛选出Fe-N₄和Co-N₄位点作为高选择性活性中心。
这类方法将热力学吸附能与动力学过电位相结合，通过量化ΔG与活性的非线性关系，精准定位催化剂的性能极限，为高通量筛选高效电催化剂提供了理论框架，加速了从单金属到原子级分散催化体系的设计进程。
DOI：10.48550/arXiv.2402.03876
AIMD模拟动态界面
从头算分子动力学（AIMD）模拟在揭示动态催化机制中展现出独特价值。
在 Fe-N₄/C 催化剂体系的研究中，AIMD 模拟发现 H₂O 分子在界面处形成特殊的 “赝吸附态”，这种状态通过长程耦合作用巧妙地促进了 O₂分子的解离过程，使反应能垒显著降低了 0.15 eV，为理解界面催化中的电子传递与分子活化机制提供了微观视角。
而在液态 Ga-Rh 合金的 AIMD 模拟中，研究人员捕捉到 Rh 单原子的动态迁移行为，这种动态特性出乎意料地增强了 CH₃OH 脱氢反应的选择性，揭示了液态合金体系中活性位点的动态演变对催化路径的调控作用。
借助AIMD 模拟的动态追踪能力，可以从“静态界面的特殊吸附态” 与 “液态体系的原子动态迁移” 两个维度，深入解析了催化过程中物质与能量的传递规律，为设计高效催化体系、优化催化反应路径提供了兼具理论深度与应用潜力的新思路。
DOI：10.1038/s41467-022-29357-7
写在最后
热门二维材料计算方法在VASP二维材料课程中均有讲解。
本次课程由华算科技朱老师主讲二维材料计算，课程具体涉及二维/异质结构模型，电子性质，吸附性质、催化性质、电池性质。
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