【摘要】 南开大学张冀杰课题组在《ACS Nano》发表研究，通过原子级载体预设计策略实现Pt-N₃O构型精准调控，光催化产氢性能显著提升。科学指南针提供理论计算支持，助力催化机理解析。

南开大学张冀杰教授课题组在《ACS Nano》发表创新研究成果，通过原子级载体预设计策略成功调控铂单原子配位环境，实现高效光催化制氢性能突破。科学指南针为本研究提供理论计算支持，助力电子结构解析与催化机理解析。

 

研究背景与光催化制氢挑战

光催化分解水制氢技术是实现绿氢经济的重要路径，单原子催化剂凭借高原子利用率成为研究热点。然而，传统方法难以精准控制金属中心配位环境，制约催化性能进一步提升。

​核心技术瓶颈：​​

  • 传统试错法无法精确调控单原子配位几何

  • 铂单原子配位环境影响电子结构和催化活性

  • 光生载流子分离效率低，量子效率不足

  • 催化剂稳定性与活性难以兼顾

图1 CN（CN-M）样品的合成步骤以及颜色演变。

 

创新方法：原子级载体预设计策略

研究团队提出原子级载体预设计新策略，通过精准调控氮化碳载体结构，为铂单原子锚定提供定制化位点。

​技术突破要点：​​

  • 空气热处理实现氧掺杂，形成Od-CN载体

  • 惰性气氛热处理创造氮空位，获得Nv-CN载体

  • 载体预设计为铂单原子提供不同配位环境

  • 实现Pt-N₄、Pt-N₃O和Pt-N₂Cl₄多种构型精准构建

图2 基于Od-CN和Nv-CN的七种单原子载体的结构表征和分析。

图 3. 光催化析氢活性表征。

 

材料合成与结构表征

通过系统表征证实成功制备三种不同配位结构的铂单原子催化剂，展现精准可控的合成策略。

​结构特征验证：​​

  • AC-HAADF-STEM显示铂原子单分散状态

  • 不同载体成功锚定铂单原子形成特定配位

  • Pt-N₃O结构在Od-CN载体上稳定存在

  • 材料结晶性和分散性得到充分表征

图 4. 三种不同配位构型的Pt位点催化反应过程的研究。

图5不同配位构型的CN-Pt的载流子动力学。

 

理论计算与机制解析

科学指南针支持的理论计算深入揭示不同配位结构对催化性能的影响机制，为实验设计提供理论指导。

​计算研究发现：​​

  • 差分电荷密度分析电子云分布特征

  • Bader电荷计算量化铂原子电子得失

  • 态密度分析Pt 5d轨道与费米能级关系

  • 自由能计算评估H*吸附过程能量变化

  • 电子结构调控与催化活性关联性验证

图6DFT计算。

 

光催化性能评估

Pt-N₃O构型催化剂展现出卓越的光催化产氢性能，创下同类催化剂新纪录。

​性能卓越表现：​​

  • 产氢速率高达66.4 mmol·g⁻¹·h⁻¹

  • 较传统Pt-N₄结构提升3.75倍

  • 390 nm处表观量子效率达26.44%

  • 转换频率高达823 h⁻¹

  • 循环稳定性优异，性能保持良好

 

构效关系与活性起源

通过原位表征和理论计算深入解析Pt-N₃O结构高性能的物理化学起源。

​机制研究突破：​​

  • Pt-N₃O结构具有适中的Bader电荷值

  • Pt 5d轨道电子态密度优化提升活性

  • 火山型关系揭示最佳配位环境

  • 载流子分离效率显著提高

  • 界面反应动力学加速

 

总结与展望

原子级载体预设计策略为单原子催化剂开发提供新范式，推动光催化制氢技术发展。

​创新价值总结：​​

  • 原子级预设计实现配位环境精准调控

  • Pt-N₃O构型展现最优催化性能

  • 科学指南针计算支持机理解析关键作用

  • 为单原子催化剂设计提供新思路

​应用前景：​​

  • 高效光催化制氢系统开发

  • 可再生能源转化与存储

  • 环境治理与清洁能源生产

  • 单原子催化剂在能源领域应用拓展

论文信息：ACS Nano, 2025

DOI：10.1021/acsnano.5c16095

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