同步辐射揭示单位点光催化析氢的构效关系

随着全球能源消耗和环境污染的日益加剧，通过光解水催化剂将水分解为清洁可再生的氢能是将太阳能转化并储存为化学能的有效途径之一。然而，由于传统体相或纳米尺度催化剂表面结构的复杂性和不均匀性，并非所有的原子都具有催化活性，导致人们对原子水平理解催化活性中心的结构和机理极为有限。单原子活性位点催化剂具有明确的空间构型、高原子利用率、高活性和高选择性，近年来受到广泛的关注。因此，可控合成均一、孤立的单原子活性位点催化剂，对于理解其构效关系，提高太阳能的转换效率十分重要。

近日，中国科学技术大学国家同步辐射实验室的姚涛教授（点击查看介绍）课题组与合作者路军岭教授（点击查看介绍）利用同步辐射X射线吸收精细结构谱学（XAFS）技术，结合理论计算揭示了“Co₁-N₄”单活性位点催化剂优化光解水析氢反应路径的机理，并利用原子层沉积技术，成功实现了具有高光催化产氢活性的单位点催化剂。相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

该课题组成功地通过原子层沉积技术将金属钴以原子级分散的形式负载在氮化碳纳米片上（见上图），利用同步辐射XAFS以及高角环形暗场成像证实了原子级分散的Co原子与基底氮化碳形成了一种独特的“Co₁-N₄”结构。第一性原理计算表明，不同于传统的Volmer-Tafel或Volmer–heyrovsky析氢机理，该“Co₁-N₄”结构中配位的供体氮原子增加了电子密度，降低了析氢反应中关键的Co氢化物中间体的形成势垒，从而加速了H-H耦合，促进氢气的生成。实验证实，合成的负载光催化剂在紫外-可见光的照射下，平均析氢速率达到10.8 μmol•h^-1，相比于未负载单原子Co的光催化剂提升了11倍。这种单活性位点复合型光催化剂将进一步为提升现有光催化剂的水分解性能提供新的设计思路和方法，同时也为从原子尺度探究催化活性中心和反应机理提供新的认识。相关研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

该论文作者为：Yuanjie Cao, Si Chen, Qiquan Luo, Huan Yan, Yue Lin, Wei Liu, Linlin Cao, Prof. Junling Lu, Prof. Jinlong Yang, Prof. Tao Yao, Prof. Shiqiang Wei

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Atomic-Level Insight into Optimizing the Hydrogen Evolution Pathway over a Co₁-N₄ Single-Site Photocatalyst

Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 12191, DOI: 10.1002/anie.201706467

导师介绍

姚涛

http://www.x-mol.com/university/faculty/45882

路军岭

http://www.x-mol.com/university/faculty/14844