二维富勒烯的光催化

氢气作为一种清洁能源，燃烧后唯一的产物是水，可以替代化石燃料，减少全球碳排放。光催化分解水可以直接产生氢气，在相同的条件下，高效的光催化剂能更快地产生更多氢气，降低生产成本。自从1972年在TiO₂中首次实现光催化分解水以后，寻找更高效的光催化剂一直是光催化领域内的研究热点。为了尽可能提高能源转换效率，光催化剂需要：（1）高效吸收太阳能，产生大量电子空穴对；（2）迅速分离带负电的电子和带正电的空穴；（3）突破电解水的反应势垒，并且让氧化还原反应在热力学上能够自发进行。在所有光催化候选材料中，富勒烯分子具有高稳定性、高量子效率等优势。近期，富勒烯的二维结构被成功制备（Hou et al. Nature 2022, 606, 507，点击阅读详细）。二维富勒烯比其他二维材料表面积更大、活性位点更多，而且相比于单独的零维富勒烯分子具有更高的分布密度，因此可能拥有更优异的光催化性能。然而，对二维富勒烯光催化性能的研究目前还是空白。

近期，剑桥大学卡文迪许实验室青年研究员彭博在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上发表独立作者论文，通过理论计算详细研究了一种潜在的高效光催化剂——二维富勒烯。文章发现，二维富勒烯的晶体结构表面积大、活性位点多，具有较高的反应效率。在光照下，二维富勒烯可以产生大量拥有高迁移率的载流子，从而源源不断提供电子，用于水的还原反应产生氢气。二维富勒烯中的光生载流子能在热力学上自发分解水产生氢气。此外，富勒烯分子本身就是潜在的储氢材料。二维富勒烯的这些特性，有可能应用于制备和存储一体的氢燃料电池，拥有广阔的应用前景。

图1.  二维富勒烯三个相的电子结构 (a)-(c) 及其导带底、价带顶电荷密度 (d)-(f)。

该研究提出，由于二维富勒烯中的静电屏蔽较弱，需要在杂化泛函中考虑弱屏蔽效应对电子能带、光学吸收和激子结合能的影响，从而更准确地描述二维富勒烯的电子结构和光学性质（图1）。准六边形结构的二维富勒烯光学吸收效率较高，可以产生大量电子空穴对；而准四边形的二维富勒烯可以抑制电子和空穴的复合，从而让更多电子参与氢离子的还原反应。此外，单层富勒烯的三个相都拥有较高的载流子迁移率，可以有效分离电子和空穴，从而防止载流子复合，提高光催化效率。与此同时，利用单层富勒烯和其他二维材料（如SnTe、PbTe等）组成双层异质结，可以实现第二类能带对齐，进一步提高载流子的利用效率。不同相的单层富勒烯同样可以组成双层异质结，例如双层qTP1-qHP富勒烯异质结可以实现第一类能带对齐（图2），从而在空间上有效限制载流子的分布。这一特性可能应用于激光和其他发光器件。

图2.  (a)  三种单层富勒烯的能带对齐。(b)  双层qTP1-qHP富勒烯异质结的能带结构和 (c)  导带底价带顶电荷密度分布。

该研究预测，在光照下，单层富勒烯可以在热力学上自发分解水产生氢气和氧气（图3）。另外，由于富勒烯分子本身就是潜在的储氢材料，经过金属掺杂之后可以吸附大量氢气分子。因此，理论上可以通过二维富勒烯的光催化和氢存储，实现制备和存储氢能一体的新型电池，从而广泛应用于氢燃料电池，这在新能源汽车等领域拥有广阔的应用前景。

图3.  富勒烯三个相的还原反应自由能 (a)-(c) 和吸附氢离子后的中间产物 (d)-(f)。

相关工作发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上，论文作者是剑桥大学卡文迪许实验室青年研究员彭博。

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）：

Monolayer Fullerene Networks as Photocatalysts for Overall Water Splitting

Bo Peng

J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c08054

作者简介

彭博，剑桥大学青年研究员（Junior Research Fellow），研究方向为计算和理论凝聚态物理。剑桥大学卡文迪许实验室博士，研究方向为拓扑声子及其非阿贝尔编织。从2016年至今在Science Advances、Nature Communications和Journal of the American Chemical Society等期刊发表第一/通讯作者论文28篇，累计影响因子277，至2022年9月总引用2100，其中1篇领域内前0.1%热点论文、4篇领域内前1%高被引论文。获得卡文迪许实验室计算物理学奖、德国林岛诺贝尔奖得主大会青年科学家前沿特邀报告、美国百人会英才奖、跨界创新世锦赛（Falling Walls Lab）斯洛伐克站冠军、意大利国际理论物理中心激发态会议最佳海报奖、王大珩光学奖等。复旦大学本科（2016届）、硕士（2019届），研究方向包括量子材料的热输运、相变和光学性质等。于2017-2018年在中国科学院物理研究所访问，研究方向为拓扑材料的理论预测。

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