同步輻射揭示單位點光催化產氫構效關係

據中國科學技術大學同步輻射實驗室新聞報道：近日，中國科學技術大學國家同步輻射實驗室姚濤教授課題組利用同步輻射X射線吸收精細結構譜學（XAFS）技術結合理論計算揭示了“Co1-N4”單(dan)活(huo)性(xing)位(wei)點(dian)催(cui)化(hua)劑(ji)優(you)化(hua)光(guang)解(jie)水(shui)產(chan)氫(qing)反(fan)應(ying)路(lu)徑(jing)的(de)機(ji)理(li)，並(bing)利(li)用(yong)原(yuan)子(zi)層(ceng)沉(chen)積(ji)技(ji)術(shu)成(cheng)功(gong)實(shi)現(xian)了(le)具(ju)有(you)高(gao)光(guang)催(cui)化(hua)產(chan)氫(qing)活(huo)性(xing)的(de)單(dan)位(wei)點(dian)催(cui)化(hua)劑(ji)。研(yan)究(jiu)成(cheng)果(guo)已(yi)以(yi)“Atomic-Level Insight into Optimizing the Hydrogen Evolution Pathway over a Co1-N4 Single-Site Photocatalyst”為題發表在了《德國應用化學》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 12191-12196）。該論文的第一作者是博士生曹元傑。

利li用yong太tai陽yang能neng和he催cui化hua劑ji將jiang水shui分fen解jie為wei清qing潔jie可ke再zai生sheng的de氫qing能neng是shi解jie決jue能neng源yuan短duan缺que和he環huan境jing汙wu染ran的de有you效xiao途tu徑jing之zhi一yi。然ran而er

，傳chuan統tong體ti相xiang或huo納na米mi催cui化hua劑ji表biao麵mian結jie構gou的de複fu雜za性xing
，導dao致zhi人ren們men對dui在zai原yuan子zi水shui平ping理li解jie催cui化hua活huo性xing中zhong心xin的de結jie構gou和he機ji理li極ji為wei有you限xian。近jin年nian來lai，單dan原yuan子zi活huo性xing位wei點dian催cui化hua劑ji因yin其qi具ju有you高gao原yuan子zi利li用yong率lv、高(gao)活(huo)性(xing)和(he)高(gao)選(xuan)擇(ze)性(xing)等(deng)特(te)點(dian)，受(shou)到(dao)了(le)廣(guang)泛(fan)的(de)關(guan)注(zhu)。從(cong)原(yuan)子(zi)水(shui)平(ping)上(shang)理(li)解(jie)單(dan)活(huo)性(xing)位(wei)點(dian)的(de)構(gou)效(xiao)關(guan)係(xi)對(dui)可(ke)控(kong)合(he)成(cheng)均(jun)一(yi)的(de)單(dan)原(yuan)子(zi)活(huo)性(xing)位(wei)點(dian)光(guang)催(cui)化(hua)劑(ji)，提(ti)升(sheng)其(qi)太(tai)陽(yang)能(neng)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)十(shi)分(fen)重(zhong)要(yao)。

該課題組成功地通過原子層沉積技術將金屬鈷以原子級分散的形式負載在氮化碳納米片上 (見上圖)。利用同步輻射XAFS以及高角環形暗場像證實了原子級分散的Co原子與基底氮化碳形成一種獨特的“Co1-N4”結構。第一性原理計算表明，不同於傳統的Volmer-Tafel或Volmer–heyrovsky的產氫機理，該“Co1-N4”結構中配位的供體氮原子增加了電子密度，降低了產氫反應中關鍵的Co氫化物中間體的形成勢壘
，從而加速了H-H耦合以促進氫氣的生成。實驗證實
，合成的負載光催化劑在紫外-可見光的照射下，平均產氫速率達到10.8 mol h-1，相較於未負載單原子Co的光催化劑提升了11bei。zhezhongdanhuoxingweidianfuhexingguangcuihuajixiangxinjiangweijinyibutishengxianyouguangcuihuajideshuifenjiexingnengtigongxindeshejisiluhefangfa
，tongshiyeweicongyuanzichidutanjiucuihuahuoxingzhongxinhefanyingjilitigongxinrenshi。

該項研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科大重要方向培育基金等項目的資助。

附文章詳細鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201706467/full。