1T/2H-MoS₂ 相边界怎么建模?

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引言

1T/2H-MoS₂ 相边界怎么建模?
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MoS₂HER 时,常见说法是边缘位和缺陷位更活跃。但 1T/2H-MoS₂ 的相边界问题更细:一侧是半导体 2H 相,一侧是金属性 1T 相,中间还有原子滑移形成的边界位点。相边界不是简单的“更多缺陷”,而是相结构、电子态和局域配位同时改变的二维线缺陷。 计算时必须把 2H 基面、1T 基面和 1T/2H 边界分成不同模型。

普通 S 空位或纳米带边缘模型只改变局部缺陷或边缘配位,1T/2H 相边界还会同时引入金属性相区、半导体相区和过渡配位。实验图中的相区、STM 中的边界和 DFT 中的 H 吸附自由能应指向同一个结构对象,否则计算得到的活性位来源会变得含混。

1T/2H-MoS₂ 相边界怎么建模?
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1T/2H相边界为什么不是普通缺陷?

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2H 相和 1T 相差在哪里?

2H-MoS₂ 中 Mo 通常处于三方棱柱配位,基面半导体性明显;1T-MoS₂ 中 Mo 近似八面体配位,金属性更强。相变可以看作 S 原子层发生相对滑移,导致局域配位和能带结构变化。

图1 比较了 2H-2H 畴界和 2H-1T 相边界的 HER 活性。若只把相边界看成一条几何线,就会忽略两侧相结构的电子差异;若只比较 1T 和 2H 基面,又会漏掉边界上低配位和过渡配位的特殊位点。1T/2H 相边界的计算对象,是连接两种相的局域过渡结构。

1T/2H-MoS₂ 相边界怎么建模?

图1 单层 MoS₂ 中 2H-2H 畴界和 2H-1T 相边界的 HER 活性对比。不同边界密度对应不同电催化响应。DOI: 10.1038/s41467-019-09269-9。

建模时需要在同一超胞内放入一段 2H 区域和一段 1T 区域。周期方向应让边界线连续延伸,垂直边界方向要有足够宽度,避免两条周期边界之间相互作用过强。

STM 图能给模型什么信息?

图2 展示了 2H 与 1T 区域的 STM 图像和 dI/dV 谱。亮暗区域、晶格滑移方向和局域电子态差异都能帮助定义边界模型。VASP 模型不应凭空画一条线,而应对照原子滑移方向和边界走向。

先确定边界沿 zigzag 或 armchair 方向延伸,再确定 1T 区域相对 2H 区域的 S 层滑移矢量。相边界模型的身份由相区、滑移方向和边界周期共同定义。 只改变其中一项,就已经是不同边界模型。

1T/2H-MoS₂ 相边界怎么建模?

图2 2H/1T 混合 MoS₂ 的 STM 图像、边界放大图和局域电子谱。相边界建模需对应原子滑移方向和两侧电子性质差异。DOI: 10.1038/s41467-019-09269-9。

Eboundary = [Ecell – n2HE2H – n1TE1T] / 2L  式(1)

式(1)可用于估算相边界形成能,其中 L 是边界长度,因周期超胞通常含两条边界而除以 2。该式要求 2H、1T 和混合相模型使用一致的基准和超胞口径;它不直接给出 HER 活性,但能判断某类边界是否具有合理稳定性。

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H吸附位点怎样分组?

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哪些位点必须进入矩阵?

最少要比较四类位点:2H 基面 S 顶位、1T 基面 S 顶位、边界附近 S 位、边界 Mo 邻近位。若边界存在不同局域环结构或 S 滑移排列,还要把每种非等价边界位分别编号,不能把整条边界压成一个平均位点。

边界两侧还应各保留一组“远离边界”的基面参照。这样可以判断 H* 稳定性是来自 1T 相的金属性、2H 相被扰动后的局域态,还是来自边界处低配位结构本身。若超胞中两条周期边界距离较近,还要把边界间距作为收敛变量,确认 H* 吸附能不是两条边界相互作用的结果。

图3 给出相边界和多种 2H-2H 边界的理论模型与 H 吸附自由能比较。H 吸附贡献不能简单归给 1T 相或 2H 相,边界位点本身可能形成独立的吸附自由能分布。 因此比较时应按基面、相边界、畴界三个层级记录,而不是只保留最低 ΔGH* 构型。

1T/2H-MoS₂ 相边界怎么建模?

图3 2H-1T 相边界和多种 2H-2H 畴界的原子模型及 H 吸附自由能比较。边界位点需要与 2H 基面、1T 基面分开编号。DOI: 10.1038/s41467-019-09269-9。

H 吸附能先用式(2)计算,再加入 ZPE 和熵修正得到 ΔGH*。对 MoS₂ 这类二维材料,H* 常放在 S 顶位附近,但相边界可能出现桥位或 Mo 邻近局域稳定构型,初猜需要覆盖这些非等价环境。

ΔGH* = EMoS2+H – EMoS2 – 1/2EH2 + ΔZPE – TΔS  式(2)

边界电子态怎样参与吸附?

1T 区域的金属性可以改善电子输运,边界局域态可以改变 H* 与 S/Mo 的成键。若只看 ΔGH*,难以区分是电子态改善还是几何配位改变。建议在代表位点上输出 PDOS、差分电荷密度和局域电荷,重点比较 H-邻近 S、H-邻近 Mo 的轨道贡献。

若同一 H* 在 2H 基面上 ΔGH* 偏正,而在边界 S 位接近 0 eV,说明边界位点热力学更有利;若 1T 基面 ΔGH* 接近边界,但实验活性仍随边界密度变化,应进一步考虑边界密度、电导和可暴露面积。相边界的 HER 贡献应由吸附自由能、局域电子态和边界数量共同判断。

静态计算时,k 点沿边界方向要充分采样,垂直方向可根据超胞长度降低密度。若模型较大,可先用 Γ 中心网格筛选几何,再对代表结构提高 k 点精度做电子结构分析。

1T/2H-MoS₂ 相边界怎么建模?
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相边界模型怎样连接实验活性?

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边界密度怎样进入解释?

图4 展示了高密度畴界和相边界的多层级 MoS₂ 催化剂。实验活性随边界密度变化,说明单位位点活性之外,还存在可暴露位点数量、电荷传输和相稳定性因素。DFT 通常只能给单个边界模型的局部吸附趋势,需要和边界密度分开表达。

完整的计算记录可以包含边界形成能、每类边界位点的 ΔGH*、边界长度归一化活性位数量、1T 区域宽度和电子态信息。DFT 单位位点趋势和实验边界密度趋势不是同一个量,二者需要通过位点数量和结构稳定性连接。

1T/2H-MoS₂ 相边界怎么建模?

图4 多层级单层 MoS₂ 催化剂的结构示意和 HER 性能。相边界与畴界密度共同影响可用活性位点数量和整体电催化响应。DOI: 10.1038/s41467-019-09269-9。

VASP 任务如何组织?

第一步,分别优化 2H 和 1T 基面,确认晶格常数、相对能量和电子性质;第二步,建立含两条周期相边界的混合相超胞,测试边界宽度和真空层;第三步,枚举边界附近非等价 H* 位点;第四步,选择代表位点做静态、PDOS、差分电荷和必要的振动校正。

若比较酸性和碱性 HER,酸性可先用 CHE 处理 H* 自由能;碱性还要引入 H₂O* 和 OH*,尤其检查 1T/2H 边界是否同时有利于水吸附和 H* 形成。相边界模型的计算价值在于把“金属性相区”和“局域边界位点”拆成可比较变量。 这样才能判断是 1T 相本身、边界 S 位,还是边界诱导电子态主导吸附。

参数参考上,二维 MoS₂ 需要检查 vdW 修正、真空层、偶极修正、自旋设置和 k 点收敛。由于 1T 相可能存在结构软模或畸变,优化后要确认相区没有整体回到 2H 或发生不目标重构。

1T/2H-MoS₂ 相边界怎么建模?
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本章要点总结

1T/2H-MoS₂ 相边界怎么建模?
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要点:1T/2H-MoS₂ 相边界是相结构、电子态和局域配位共同改变的二维线缺陷。

要点:H 吸附位点应按 2H 基面、1T 基面和边界非等价位点分组比较。

要点:ΔGH* 需要与边界形成能、局域电子态和边界密度共同解释。

要点:VASP 模型要明确边界方向、滑移矢量、超胞宽度和两侧相区稳定性。

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