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中國科大光催化產氫新型助催化劑研究取得進展

2026-04-11 15:08:104753

　　近jin日ri，中zhong國guo科ke學xue技ji術shu大da學xue教jiao授shou吳wu長chang征zheng研yan究jiu組zu與yu張zhang群qun研yan究jiu組zu合he作zuo，發fa展zhan出chu全quan新xin水shui溶rong性xing小xiao分fen子zi助zhu催cui化hua劑ji以yi加jia速su光guang生sheng空kong穴xue轉zhuan移yi，實shi現xian了le光guang催cui化hua產chan氫qing性xing能neng的de大da幅fu提ti升sheng，從cong而er為wei擺bai脫tuo目mu前qian廣guang泛fan使shi用yong的de貴gui金jin屬shu助zhu催cui化hua劑ji提ti出chu了le新xin的de解jie決jue途tu徑jing。相xiang關guan研yan究jiu成cheng果guo10月21日在線發表於《自然·通訊》（NatureComm.2015,6,8647）。無標題.jpg

　　badimidudetaiyangnenggaoxiaozhuanhuaweikecunchudehuaxuenengshifazhankezaishengnengyuandezhongyaotujing。raner，guangshengzailiuzidefuheyanzhongxianzhilerengongguangcuihuatixidezhuanhuaxiaolv，ruheshixianguangshengzailiuzifenlidezuidahuachengweitigaoguangcuihuaxiaolvdezhongyaotiaozhan。fuzaixingguijinshubeiguangfanrenweishigaoxiaozhucuihuaji，ranerguijinshuzuoweiguticuihuajiwangwangdailaiyouxiandejiechumianji，tongshigaoangdechengbenyejidadixianzhiqidaguimoyingyong。　　針對上述挑戰，吳長征研究組突破了傳統觀點認為高效助催化劑大多集中於固相貴金屬的局限，首次發現水溶性小分子三氟乙酸（TFA）是一類全新、高效的分子助催化劑。他們創新性地發現TFA存在可逆氧化還原電對，並且在光催化環境中表現出高度的可逆性，這為傳遞光生載流子提供了新的思路。分子助催化劑TFA通tong過guo自zi身shen氧yang化hua還hai原yuan電dian對dui實shi現xian了le分fen子zi間jian快kuai速su的de自zi由you基ji反fan應ying，加jia速su了le空kong穴xue的de快kuai速su轉zhuan移yi。在zai铌ni酸suan鉀jia二er維wei納na米mi材cai料liao高gao比bi表biao麵mian積ji優you勢shi的de基ji礎chu上shang，成cheng功gong將jiang光guang催cui化hua產chan氫qing性xing能neng提ti高gao了le32倍。核磁共振、元素分析、原位電子自旋共振等係列表征證實了铌酸鉀價帶的光生空穴與吸附的TFA陰離子反應能產生高活性的TFA自由基；同時TFA自由基轉移空穴至甲醇分子，從而實現铌酸鉀二維納米材料催化體係中電子-空穴對的高效分離。其合作者張群研究組采用超快瞬態吸收光譜和穩態/瞬shun態tai熒ying光guang光guang譜pu等deng測ce量liang手shou段duan，刻ke畫hua了le該gai模mo型xing體ti係xi中zhong與yu空kong穴xue陷xian阱jing態tai和he電dian子zi陷xian阱jing態tai密mi切qie相xiang關guan的de光guang生sheng載zai流liu子zi動dong力li學xue行xing為wei和he機ji製zhi，從cong而er證zheng實shi了le水shui溶rong性xing小xiao分fen子zi助zhu催cui化hua劑ji策ce略lve的de合he理li性xing和he有you效xiao性xing。超chao快kuai動dong力li學xue分fen析xi表biao明mingTFA添加後铌酸鉀納米片光生電子的壽命提高了近3倍，揭示出小分子助催化劑誘導的高效空穴轉移和電子-空穴對分離是該體係光催化性能大幅提高的根本原因。小分子助催化劑策略的提出，有望擺脫傳統貴金屬助催化劑體係，為設計廉價、高效的光催化體係開辟新途徑。　　這項研究工作得到了國家基金委、科技部、中科院、能源材料化學協同創新中心、量子信息與量子科技前沿協同創新中心的支持。