中国地质大学(武汉)余火根/余家国,发表AFM!

光催化HER因其在缓解能源和环境危机方面的重要作用而受到广泛关注。然而,大多数光催化剂的性能通常受到光生电荷严重复合和活性中心不足的限制。

为了克服上述问题,人们引入了光催化助催化剂。在大多数光催化HER助催化剂中,由于原子排列规则,通常只有一种同源(相同)活性中心。在这种情况下,单一的活性位点不仅承担了H中间体的吸附,而且还作为H2的后续解吸位点,导致同时和独立优化H吸附和解吸过程很困难。考虑到快速H吸附和快速脱附有助于提升催化剂的H2生产性能,合理设计和优化活性中心以同时最大化上述过程的效率是非常重要的。

为了打破H在同源活性中心上的吸附-解吸速率的强相关性,中国地质大学(武汉)余火根余家国等采用简便的双配体复合光合作用方法,在TiO2表面沉积了非晶态NiSeS (a-NiSeS)助催化剂(TiO2/a-NiSeS),显著提高了光催化产氢性能。具体而言,TiO2/a-NiSeS催化剂中的S-Ni-Se不对称桥联多活性位点可以有效地诱导H实现同步快速吸附和解吸,加速产氢速率。

性能测试结果表明,最佳的TiO2/a-NiSeS (0.5:0.5)光催化剂的H2生成速率为8216μmol h-1 g-1,365 nm处的表观量子效率(AQE)为39.4%,优于TiO2/a-NiS和TiO2/a-NiSe。

系统的表征和密度泛函理论(DFT)计算表明,S-Ni-Se中的富电子S(2+δ)-和缺电子Se(2-δ)-实现了S-Hads和Se-Hads的反键轨道占有率和H键强度的自优化,并且S(2+δ)-和Se(2-δ)-位点之间同时产生热中性桥接位点,作为增强氢转移的介质。

得益于上述独特位点,研究人员提出了不对称桥联多活性位点的H2协同生产机制,即S(2+δ)-位点富集H,S-Ni-Se的热力学中性桥联位点将H从S(2+δ)-位点转移到Se(2-δ)-位点,最终H2在有利于H解吸的Se(2-δ)-位点释放。总的来说,该项工作揭示了不对称多活性中心作为同时实现快速吸附和解吸的平台的重要性,为构建用于其他各种应用的高效催化剂提供了参考。

Asymmetric bridging multi-active sites in a-NiSeS cocatalyst for upgrading photocatalytic H2 evolution. Advanced Functional Materials, 2025.DOI: 10.1002/adfm.202424527

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