黄小青教授、徐勇教授，AEM研究论文： Ru-In双单原子调控电荷分离加速光催化纯水分解析氢

第一作者：彭慧萍，杨汤，林海平

通讯作者：黄小青*，徐勇*，樊星*

单位：厦门大学，广东工业大学，苏州大学

随着愈演愈烈的能源危机和环境污染等问题，开发和利用可再生和清洁能源迫在眉睫。太阳能是迄今为止最丰富，廉价，无污染且可持续的能源，因此使用太阳能作为能源的光催化制氢对解决环境能源危机和减少温室气体有十分重要的意义。然而，在无牺牲剂的情况下，利用光催化水分解大规模制氢仍是一个挑战。

本文展示了TiO₂上的双掺杂Ru/In单原子(Ru-In SA/TiO₂)的修饰导致了Ti³⁺的显著增加和氧空位的富集，从而加速光催化纯水分解过程中光生载流子的分离。Ru-In SA/TiO₂在没有牺牲剂的情况下，光催化纯水分解产氢的性能优于大多数报道的光催化剂。本文不仅为纯水分解制氢提供了一种不需要牺牲剂的高效光催化剂，而且促进了催化剂设计和改性的基础研究。

基于此，来自厦门大学的黄小青教授、广东工业大学的徐勇教授和苏州大学樊星博士合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Ru/In Dual-Single Atoms Modulated Charge Separation for Significantly Accelerated Photocatalytic H₂ Evolution in Pure Water”的研究论文。该论文展示了Ru/In双单原子掺杂有效促进TiO₂电子-空穴的分离，在没有牺牲剂的情况下，实现高效光催化纯水分解制氢。

图1. Ru-In SA/TiO₂光催化纯水分解制氢原理图

设计高效、长寿命的光催化剂是实现光催化水分解大规模析氢的重要任务，在载体上设计单中心助催化剂为利用贵金属提供了一种具有成本效益的途径。通过简单的一步水热法将双单原子Ru和In修饰在TiO₂表面，优化并制备出一种Ru-In SA/TiO₂纳米光催化剂。

要点二：

通过XRD、XPS、XAFS等表征研究发现：Ru和In是以单原子状态均匀分布在TiO₂ 纳米催化剂表面，且与TiO₂纳米催化剂形成了M-O配位作用。这种Ru单原子和In单原子双重改性这有利于促进光诱导载流子的传输。

要点三：

详细的研究表明，Ru/In单原子的修饰导致了Ti³⁺的显著增加和氧空位的富集，从而加速了电荷分离。飞秒瞬态吸收光谱表明，Ru单原子的掺杂促进了TiO₂光生电子向Ru的转移，而In单原子的掺杂则增强了TiO₂价带光生空穴向In单原子的转移，从而实现了电子-空穴的有效分离。

要点四：

在光催化剂水分解过程中，在没有牺牲剂和辅助催化剂的情况下，Ru-In SA/TiO₂在光催化纯水分解中H2析出速率可达到174.1 μmol h^-1，分别是Ru单原子修饰TiO₂、In单原子修饰TiO₂和原始TiO₂的6倍、18倍和53倍，光催化纯水分解产氢的性能优于大多数报道的光催化剂。此外催化剂也表现出了优异的稳定性，在环境条件下保存180天后依然未出现明显的活性下降。

Ru/In Dual-Single Atoms Modulated Charge Separation for Significantly Accelerated Photocatalytic H₂ Evolution in Pure Water

徐勇教授简介：广东省自然科学基金杰出青年基金获得者，江苏省双创博士(2018)。2013年在中国科学技术大学化学物理系获得博士学位，并于2011-2012期间在意大利国家核物理研究院弗拉斯卡迪国家实验室进行博士联合培养。2013年加入中国科学院上海高等研究院低碳科技中心，并在2014-2017年先后苏州大学功能纳米与软物质研究院以及美国劳伦斯伯克利国家实验室进行博士后研究。2017年以副教授加入苏州大学纳米科技学院，2020年加入广东工业大学材料与能源学院。

目前以一作和通讯作者身份在Nat. Synth.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem.、J. Am. Chem. Soc.、Energy. Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Sci. Bull. 等高水平期刊发表论文90余篇。主要研究方向为功能纳米催化剂的表界面改性及其在多相催化方面的应用研究。

以通讯作者身份在Science、Sci. Adv.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Adv. Mater.、Acc. Chem. Res. 等学术刊物上发表多篇研究论文。目前兼职：Science Bulletin、Rare Metal和Science China Materials客座编辑或编委。研究兴趣：贵金属纳米材料的精准制备及其电、热、光催化应用研究。

彭慧萍：2016年获福州大学工学学士学位。现在厦门大学化学化工学院黄小青教授课题组攻读博士学位。她目前的研究兴趣集中在光催化能源转化，如光催化水分解、CO₂还原等。

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