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倪永红/黄玉成/陆洲：基于金属团簇的单原子催化剂实现高效光催化析氢

邃瞳科学云

2022-02-18

导读：该文章提出了一种基于原子分散的铂团簇制备新型单原子助催化剂的方法，并对其结构和催化机理进行了深入探究。

文章信息

源于铂团簇的铂单原子限域在多臂CdS表面用于增强光催化析氢

第一作者：卢翔宇，童傲梅，罗点

通讯作者：黄玉成*，陆洲*，倪永红*

单位：安徽师范大学

研究背景

作为一种清洁高效的能源，氢气有望缓解化石燃料过度消耗所带来的能源危机问题，近年来受到人们的广泛关注。在各种各样的产氢技术中，由于工艺过程简单、无污染，利用光催化析氢的技术极具前途。

但是，光催化技术的发展仍存在许多瓶颈，如光谱响应范围窄、光生载体分离效率低、氧化还原活性位点不足等。铂和铂基材料具有优异的光激发载流子分离效率，被认为是最佳的助催化剂。但由于铂的高成本和稀缺性，限制了其实际应用，所以提高铂的单位质量活性成为关键。实验已经证明：铂的催化活性可以通过调节其配位环境来优化。

目前，原子分散的Pt作为光催化体系的共催化剂已有很多报道，但Pt纳米团簇作为共催化剂尚未见报道。因此，如何构建Pt团簇-半导体光催化体系，以及确定该体系中光生载流子的分离机理仍是一个难题。

文章简介

基于此，来自安徽师范大学的倪永红教授、黄玉成教授、陆洲教授合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Confining Single Pt Atom from Pt Clusters on Multi-Armed CdS for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Evolution”的文章。

该文章提出了一种基于原子分散的铂团簇制备新型单原子助催化剂的方法，并对其结构和催化机理进行了深入探究。超快瞬态吸收光谱研究表明，原子分散的铂可以快速提取CdS纳米棒的光生电子。密度泛函理论(DFT)计算进一步证明了单原子铂作为助催化剂的优越性。本工作为用团簇法制备单原子共催化剂并应用于高效光催化提供了一种新的方法。

本文要点

要点一：Pt₅/CdS光催化剂的合成与结构分析

本文通过将由谷胱甘肽配体保护的铂纳米团簇与多臂CdS锚定，制备了一种新型的光催化剂。使用基于同步辐射光源的XANES和EXAFS表征，证实了铂以Pt-S₄的配位结构形式存在。

要点二：Pt₅(GS)₁₀/CdS光催化水分解产氢的性能研究

在光催化产氢反应中，经退火处理后的Pt₅/CdS光催化剂表现出了较高的催化活性，在λ ≥ 400 nm的可见光照射下产氢性能达到13.0 mmol g^-1 h^-1，远优于单纯的CdS纳米棒，且经过20小时循环反应后催化活性没有明显降低，显著优于未经退火处理的Pt₅(GS)₁₀/CdS，证明其拥有较好的稳定性。

要点三：光催化过程中其内部载流子迁移过程的探究

通过超快瞬态吸收光谱探究其光催化过程中电子转移过程，详细记录了CdS中的电子弛豫动力学。与CdS催化剂相比，Pt₅/CdS催化剂的表面存在着单原子铂而开启了额外的电子转移通道。根据超快瞬态吸收光谱收集的界面电子动力学，可以得出激发态电子从CdS转移到Pt-S₄活性位点，使载流子能够进行有效的空间分离。

要点四：DFT计算

基于第一性原理，计算了Pt₅/CdS纳米棒的氢吸附吉布斯自由能(∆GH*)。六方相CdS纳米棒的暴露表面绝大多数为(10-10)和(11-20)表面，纳米棒的末端为(0002)表面。因此，本文考虑了上述三个晶面。计算结果显示：相对于同一晶面上的其他位点，Pt孤立单原子在三个晶面的∆GH*值都最接近于零。

因此，Pt₅/CdS催化剂的成功构筑，在为催化剂引入了新的活性位点的同时，也提高了CdS的本征活性。此外，电荷差分密度分布也进一步证实了电子从CdS向Pt原子迁移。

文章链接

Confining Single Pt Atom from Pt Clusters on Multi-Armed CdS for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Evolution

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ta/d2ta00198e

通讯作者简介

倪永红教授

2001年12月毕业于中国科学技术大学获理学博士学位，2002.01-2004.01年在南京大学配位化学国家重点实验室从事博士后研究。2004年2月加入安徽师范大学，现为化学与材料科学学院教授、博士生导师。长期从事无机功能微纳材料的控制合成、性能与应用研究。迄今已发表第一或通讯作者的SCI论文160余篇。

黄玉成教授

2005年加入安徽师范大学。2011年毕业于南京大学获理学博士学位，现为化学与材料科学学院教授、博士生导师。从事计算材料学的研究，并担任Nano Research青年编委和Nature Comm.等50余种同行评审期刊审稿人，迄今已发表第一或通讯作者的SCI论文60余篇。

陆洲教授

2007年毕业于加州大学圣地亚哥分校，获博士学位，2007-2013年分别于南加州大学和西北太平洋国家实验室从事博士后研究，2013-2019年任中国科学院化学研究所研究员、博士生导师，2019年加入安徽师范大学物理与电子信息学院，任教授、博士生导师。研究方向包括超快光谱、界面非线性光谱与微观反应动力学。迄今已发表第一或通讯作者的SCI论文40余篇。

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