王国凤教授、祝洪洋教授，Small观点：稀土铒单原子复合光催化剂：稀土铒单原子的CO2分子活化和4f能级作为电子传输桥的双重作用- 大数跨境

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王国凤教授、祝洪洋教授，Small观点：稀土铒单原子复合光催化剂：稀土铒单原子的CO2分子活化和4f能级作为电子传输桥的双重作用

科学材料站

2021-06-26

导读：该观点文章设计了稀土单原子光催化剂，利用稀土铒离子的4f能级作为电子传输桥提高材料的可见光光催化性能。

文章信息

稀土铒单原子复合光催化剂：稀土铒单原子的CO2分子活化和4f能级作为电子传输桥的双重作用

第一作者：韩振东

通讯作者：王国凤*，祝洪洋*

单位：黑龙江大学，临沂大学，塔尔萨大学

研究背景

制备具有高选择性和高活性的光催化CO2还原光催化剂契合“实现2060年碳中和目标” 这一国家重大战略需求。高效光催化剂的研制是光催化CO2还原技术中的重要部分。

现有的大多数光催化剂存在很难充分吸收和利用可见光、导带底和价带顶电位很难同时满足光催化反应的电位要求以及光生载流子分离差等缺点。

随着单原子催化时代的到来，稀土单原子催化剂在光催化领域中逐渐崭露头角。将稀土金属纳米材料降低到单原子尺度，稀土金属单原子的独特结构特点可能赋予催化剂材料意想不到的性能，为实现高效光催化CO2还原提供全新的机遇。

本篇观点是结合稀土单原子的特点和异质结的优点，制备稀土单原子复合光催化剂，首次提出了铒单原子的CO2分子活化和4f能级充当电子传输桥的双重作用，促进了电荷分离。

文章简介

本文中，来自黑龙江大学的王国凤教授、塔尔萨大学的朱培芬教授和临沂大学的祝洪洋教授合作，在国际知名期刊Small上发表题为“Erbium Single Atom Composite Photocatalysts for Reduction of CO2 under Visible Light: CO2 Molecular Activation and 4f Levels as an Electron Transport Bridge”的观点文章。

该观点文章设计了稀土单原子光催化剂，利用稀土铒离子的4f能级作为电子传输桥提高材料的可见光光催化性能。

图1. 铒单原子复合光催化剂的构筑、可见光催化过程及光催化机理图。

Scheme 1. a) Synthesis diagrams of g-C3N4 and ZGOE/CN-SS. b) The photoreduction of CO2 process under visible light irradiation. c) The proposed mechanism diagram of photocatalysis.

本文要点

要点一：合成铒单原子复合光催化剂

基于稀土Er3+的特殊4f电子层结构和Zn2GeO4/g-C3N4异质结在光催化还原CO2中的特殊优势，我们成功构建了Er3+单原子复合光催化剂。特别是原位合成得到的Zn2GeO4:Er3+/g-C3N4不仅有利于Zn2GeO4与g-C3N4的紧密结合，而且也更有利于g-C3N4锚定稀土原子。

要点二：Er3+单原子的作用及复合光催化剂的可见光光催化性能

与纯相g-C3N4相比，Zn2GeO4:Er3+/g-C3N4的可见光催化效率提高了5倍。一系列研究结果表明Er3+单原子在复合材料中不仅起到了活化CO2分子的作用，而且稀土Er3+的4f能级起到了电子传输桥的作用，增加了电子的传输，提高了复合光催化剂的可见光催化性能。

要点三：通过密度泛函理论计算证明Er3+单原子的双重作用

通过理论计算方法研究了稀土Er3+对复合材料的表面功函、CO2吸附能和电荷差分密度等的影响。结果表明Zn2GeO4内部的稀土单原子Er3+调节了Zn、Ge和O之间的相互作用，而且位于Zn2GeO4和g-C3N4界面的Er3+起到了电子传递桥的作用，其余的Er3+可以被g-C3N4锚定，它不仅能引起周围电子云密度的变化，而且能更好地吸收二氧化碳，起到活化中心的作用。

要点四：前瞻

并不是所有的稀土单原子都具有CO2分子活化和电子传输桥的作用，因此要在充分考虑载体的带隙结构和稀土离子的4f电子层结构等各方面因素的基础上，对材料进行优化组合，才能制备出高质量的稀土单原子复合光催化剂。

预计该工作结果可为设计合理的稀土单原子复合光催化剂以调节带隙和光捕获能力、促进电荷分离、提高材料的可见光催化性能提供很好的理论和实验指导。

文章链接

Erbium Single Atom Composite Photocatalysts for Reduction of CO2 under Visible Light: CO2 Molecular Activation and 4f Levels as an Electron Transport Bridge

https://doi.org/10.1002/smll.202102089

通讯作者介绍

王国凤教授。

教育部新世纪优秀人才、黑龙江省首届课程思政团队带头人。现为黑龙江大学功能无机材料化学教育部重点实验室教授、博士生导师。2010年到黑龙江大学化学系工作，并晋升为副教授，2013年破格晋升为教授，2014年遴选为博士生导师。2011 年被评为教育部新世纪优秀人才、清华大学优秀博士后、吉林省优秀博士论文奖。2013 年获第十一届黑龙江省青年科技奖。主要从事稀土纳米功能材料的合成及性能研究。包括稀土纳米荧光材料、染料敏化太阳能电池光阳极、光催化及电化学几个方面的研究。尤其在稀土纳米发光材料的设计合成、荧光性质及其在电池和催化等领域的应用方面取得了一些有意义的研究成果。作为第一作者或通讯作者在Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Edit.、Adv. Funct. Mater、Appl. Catal. B-Environ.、Small、J. Mater. Chem. A、Chem. Eng. J. 、ACS Appl. Mater. Inter.、Nano Res.、J. Colloid Interf. Sci.、Sci. China Mater.、Chem. Commun.、Chem. Eur. J.和J. Phys. Chem. C等杂志上共发表SCI论文七十余篇，作为项目负责人承担过国家级项目4项，省部级项目3项，厅局级项目2项。获授权专利二十余项。

祝洪洋教授。

祝洪洋教授于2010年博士毕业于美国德克萨斯理工大学，2011-2018年于吉林大学工作，于2018年人才引进至临沂大学工作，同年获得山东省优秀青年科学基金资助。祝洪洋教授从事高温高压设备研发以及含能材料和半导体材料的合成和性能研究，为极端条件下新型功能材料团队负责人，在该研究方向作为负责人主持完成多项国家自然科学基金，已在PNAS、Advanced Functional Materials、 Journal of Materials Chemistry A、SMALL、Chemical Engineering Journal、Advanced Optical Materials、和Nanoscale 等学术期刊发表100余篇SCI论文。