【Carbon Neutrality论文荐读】张富春、刘性辉团队：发现二维蜂窝-笼目结构锗烯，实现高效水分解制氢

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延安大学张富春教授、湖北航天化学动力研究所刘性辉研究员团队在Carbon Neutrality上发表最新理论研究。他们首次设计出一种兼具蜂窝与笼目拓扑的新型二维锗烯材料。该材料不仅具备优异的半导体特性与稳定性，其内置电场与应变可调的能带结构，更完美契合了光催化全水分解的热力学要求。研究进一步发现，通过锚定单原子催化剂，可实现高效、低能耗的氢析出与氧析出反应，为开发下一代“零碳”制氢技术提供了全新的材料蓝图与理论指导。

文章亮点

1.提出一种新型二维蜂窝-笼目结构锗烯，兼具蜂窝与笼目拓扑特征；

2.该材料具有本征半导体特性，带隙可调，适用于可见光催化；

3.通过应变调控内置电场，实现能带对齐，满足水分解热力学要求；

4.单过渡金属原子修饰后，表现出极低的HER/OER过电位，具备高效水分解催化潜力。

内容简介

随着能源危机与环境问题日益严峻，发展绿色、可持续的能源转换技术势在必行。水分解制氢是一种清洁高效的能源转换方式，但其核心在于开发高效、稳定的光催化剂。本研究通过理论计算，设计了一种新型二维蜂窝-笼目结构锗烯，不仅具备良好的稳定性与半导体特性，还可通过应变调控实现高效水分解，为开发下一代光催化制氢材料提供了新方向。

图文导读

传统二维锗烯因其狄拉克锥能带结构而呈现零带隙特性，限制了其在光催化领域的应用。本研究提出了一种创新的“拓扑融合”设计策略，通过将具有自旋阻挫特性的笼目（Kagome）三角晶格引入常规的蜂窝（Honeycomb）结构中，构建出新型杂化蜂窝-笼目锗烯。这种独特的结构不仅保留了Ge元素的优异电子特性，更因其对称性破缺而自然打开半导体带隙，为光吸收与载流子分离奠定了关键基础。

图1. (a) 从蜂窝与笼目拓扑结构演化至杂化结构示意图；(b) hhk-germanene的俯视图与侧视图，展示其晶格参数与键合构型；(c) 无虚频的声子谱证明其动力学稳定性；(d) 300K下的AIMD模拟显示其优异的热稳定性；(e) 电子局域函数图展示强大的Ge-Ge共价键。

与单一拓扑材料不同，hhk-germanene中桥接Ge原子与笼目Ge三角单元分处不同亚层，形成类似Janus结构的不对称性。这自然产生了约0.293 eV的层间静电势差，相当于一个由桥接Ge层指向笼目三角层的“内置电场”。该电场能有效驱动光生电子与空穴向相反方向迁移，极大抑制了它们复合的概率。更重要的是，通过施加微小的面内应变，可以线性调控这一势差值，从而实现对材料“有效带隙”的精确优化，使其能带边缘完美跨越水分解的氧化还原电位。

图2.(a) HSE06杂化泛函计算的轨道分解能带结构，显示其为间接带隙半导体；(b) CBM与VBM附近的3D能谷，揭示了电子与空穴的有效质量差异；(c) 分波态密度图；(d-e) CBM与VBM的电荷密度分布，显示贡献来源；(f) 能带边缘位置与内置电场示意图；(g) 应变对静电势差的调控作用。

为进一步提升水分解效率，研究团队系统筛选了多种过渡金属单原子锚定在hhk-germanene上。理论计算表明，Rh@Ge和Zr@Ge对氢析出反应表现出近乎理想的氢吸附自由能（ΔG*H ≈ 0 eV），位于HER“火山图”的顶端。对于更具挑战的氧析出反应，Ni@Ge和Ir@Ge脱颖而出，其过电位分别低至0.40 V和0.44 V，远低于许多贵金属基催化剂。这标志着该材料体系有望作为高效、廉价的双功能催化剂，驱动整个水分解循环。

图3. (a) TM@Ge上HER的吉布斯自由能图；(b) 基于ΔGH的HER火山图；(c-d) HER过电位与吸附能/自由能的二维与三维火山图；(e) 不同TM@Ge的OER过电位汇总；(f) Ni@Ge的OER反应自由能图；(g-h) 基于描述符ΔGOH与(ΔGO - ΔGOH)的OER活性趋势图。

优异的催化性能源于活性位点与反应中间体之间“恰到好处”的相互作用。以最佳OER催化剂Ni@Ge为例，差分电荷密度图清晰显示了Ni原子与含氧中间体之间显著的电荷转移。通过集成晶体轨道哈密顿布居分析发现，Ni-O键的ICOHP值与中间体吸附能存在强线性关联，这使其成为一个可靠的活性描述符。进一步的电子结构分析揭示，Ni的d轨道与OH的p轨道能级匹配，发生了强烈的 p-d轨道杂化，使得电子配对并占据能量更低的成键轨道，从而实现了对OH*物种的适度吸附，打破了OER反应的能垒瓶颈。

图4. (a) Ni@Ge吸附不同含氧中间体的差分电荷密度图；(b) 不同过渡金属-O键的ICOHP值；(c) 吸附自由能与ICOHP的标度关系；(d) Ni-O键的-pCOHP曲线及Ni-d与OH-p的态密度；(e) OH*吸附前后Ni-d轨道的态密度变化；(f) Ni-d与OH-p轨道在不同能级相互作用的示意图。

总结展望

本研究通过理论设计提出了一种新型二维蜂窝-笼目结构锗烯，并系统评估了其在水分解制氢中的潜在应用。该材料不仅具备良好的光电特性与可调带隙，还可通过单原子修饰实现高效催化，为开发低成本、高效率的光催化制氢材料提供了新思路。未来，通过实验合成与器件集成，该材料有望在绿色氢能领域发挥重要作用，助力碳中和目标的实现。

原文信息

Uncovering two-dimensional semiconducting honeycomb-kagome germanene for superior water splitting performance

作者：

Qiang Zhang, Chunyao Fang, Fuchun Zhang*, Xihang Zhang, Renxian Qin, Yuanrui Li, Yali Lu, Yuanshuai Fang, Huizhen Jin, Xiang Guo & Xinghui Liu*

https://link.springer.com/article/10.1007/s43979-025-00153-8

DOI:

https://doi.org/10.1007/s43979-025-00153-8

Cite this article：

Zhang, Q., Fang, C., Zhang, F. et al. Uncovering two-dimensional semiconducting honeycomb-kagome germanene for superior water splitting performance. Carb Neutrality 4, 35 (2025). https://doi.org/10.1007/s43979-025-00153-8

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通讯作者信息

张富春，延安大学，教授

研究领域

主要从事智能信息处理、新一代智能感测传感器的研发、半导体信息材料的制备以及基于人工智能和机器学习的新型智能材料设计与应用等工作。

个人简介

张富春，中国科学院西安光学精密机械研究所毕业，工学博士，教授，硕士研究生导师，信息与通信工程一级硕士点学科带头人。主持并完成国家自然科学基金项目2项、陕西省自然科学基金项目1项以及厅局级项目4项、教育部产学合作协同育人项目3项，参与完成国家自然科学基金项目1项”。成果分别获得延安市科学技术二等奖和陕西省高校科学技术二等奖和三等奖。主持完成“电子类专业产学研结合创新教学体系的建立与实践”质量工程建设项目1项，参与完成陕西省教育厅教改项目3项，获得授权发明专利5项，主编出版学术专著2部，教学成果获得“校级优秀教学成果一等奖，指导完成8项国家级大创项目、3项研究生创新训练项目。

联系方式

E-mail: zhangfuchun72@163.com

刘性辉，湖北航天化学技术研究所，研究员

研究领域

设计低维材料和先进催化剂。

个人简介

刘性辉，在成均馆大学（SKKU）获得化学博士学位。之后，他在SKKU和香港城市大学担任博士后研究员。现为湖北航天化学技术研究所的研究员。他目前的科学兴趣包括设计低维材料和先进催化剂。

联系方式

E-mail: liuxinghui119@gmail.com

图文来源：原文作者

编辑：Carbon Neutrality编辑部

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