光催化技术在能源转换、石油化工和环境污染控制等方面发挥着重要作用。负载贵金属助催化剂是提高半导体光催化剂光催化性能的有效途径。因为贵金属助催化剂不仅能够捕获电子，还可作为制氢反应活性位点，降低析氢反应势垒。但是，贵金属较为昂贵的价格限制了光催化技术的应用与发展。近日，上海电力大学的徐群杰教授和姚伟峰教授课题组发现一种低成本、耐用且高效的光催化析氢（PHE）助催化剂---固定在氮掺杂石墨烯中的Ni单原子（Ni-NG）。实验结果表明Ni-NG能明显提高CdS的PHE制氢活性。此外，课题组还利用DFT理论计算对Ni-NG精细结构进行分析，从原子水平探究了这些结构增强PHE催化活性的机理。
该工作用一步浸渍法制备出Ni-NG助催化剂并负载到CdS表面形成Ni-NG/CdS光催化剂。实验结果显示负载量0.5 wt%的Ni-NG/CdS光解水制氢光量子效率达到48.2%（420 nm单波长光），为目前已报道的非贵金属基助催化剂制氢活性较高值之一。研究发现仅负载 0.0013 wt% Ni原子的Ni-NG/CdS光催化制氢活性相比NG/CdS提高了3.4倍。在相同条件下测试了0.5 wt.%Ni-NG/CdS 和 0.5 wt.%Pt/CdS 的光催化活性，结果显示前者的产氢活性是后者的2.27倍。实验结果表明分散在氮掺杂石墨烯（NG）基体中的Ni原子是最主要的产氢活性中心。DFT计算表明单个Ni原子可以与NG中的吡啶-N配位而稳定的以单原子形式存在。理论计算结果还显示，DFT模型进一步预测Ni原子负载可以明显降低NG产氢活化能，从而促使Ni-NG/CdS表现出较高的光催化制氢活性速率及稳定性。
Figure 1. (A) Photocatalytic H2 evolution over Ni-NG/CdS, Pt/CdS, NG/CdS and bare CdS under visible light irradiation (> 420 nm). (B) Ni-NG loading quantity effects on the photocatalytic activities of CdS for H2 production. (C) Photocatalyst lifespan tests over 0.5 wt.% Ni-NG/CdS. (D) Photonic adsorption spectrum and quantum efficiencies of 0.5 wt.% Ni-NG/CdS. (Photocatalyst: 5 mg; Photolyte: 10 mL 1.0 M (NH4)2SO3 solution; Light Source: 300 W Xe light; UV cutoff filter: > 420 nm).
Figure 2. Atomic structures of graphene with (a) a single vacancy + 3 pyridinic-N (SV+3N), (b) a double vacancy + 4 pyridinic-N (DV+4N), (c) SV+3N+Ni, (d) DV+4N+Ni, (e) SV+3N+2Ni, and (f) DV+4N+2Ni. In all structures, the N atoms are symmetric around a central axis. The Ni atom(s) is on the central axis and forms three/four identical Ni-N bonds. Ni is about 1.28 Å above the 2D plane for the SV+3N+Ni structure and inside the 2D plane for the DV+4N+Ni structure.
相关成果近期发表在ACS Catalysis，该论文赵琦、孙杰和哈佛大学李素春博士为共同第一作者，徐群杰教授和姚伟峰教授为共同通讯作者。
该论文作者为：Qi Zhao, Jie Sun, Suchun Li, Cunping Huang, Weifeng Yao, Wei Chen, Tao Zeng, Qiang Wu, Qunjie Xu
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Single Nickel Atoms Anchored on Nitrogen-Doped Graphene as a Highly Active Cocatalyst for Photocatalytic H2 Evolution
ACS Catal., 2018, 8, 11863-11874, DOI: 10.1021/acscatal.8b03737
作者简介
徐群杰，男，博士，教授，长期从事绿色能源材料和催化方面的研究工作。现任上海市电力材料防护与新材料重点实验室主任、上海市学位委员会第四、五届学科评议组成员。主持6项国家自然科学基金项目（重大研究计划、面上项目等）并参与承担4项国家重点研发计划项目和国家基金项目以及其他项目30多项，作为负责人3次获得上海市科技进步二等奖和三等奖。在Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials和ACS catalysis 等期刊上发表SCI收录论文120多篇，其中ESI高被引论文8篇。授权国家发明专利39项，其中转让8项，出版专著1部和编著2部。曾获上海市“青年科技启明星”、上海市“曙光学者”、上海市育才奖、上海市人才发展基金和宝钢教育“优秀教师”奖。领衔的研究团队荣获上海市“青年五四奖章集体”和上海市“工人先锋号”称号。
https://www.x-mol.com/university/faculty/24571
姚伟峰，博士，教授，主要从事光、电催化分解水制氢研究。获上海市“东方学者”高校特聘教授，上海市“曙光学者”、上海市“青年科技启明星”、日本JSPS博士后奖学金等多项人才计划和个人荣誉称号。主持承担国家自然科学基金、上海市基础研究重点项目、上海市纳米科技专项等国内外科研项目10余项。授权美国专利1项，中国发明专利7项，出版编著1部。已在ACS catalysis、Chem. Mater., J. Mater. Chem., Appl. Catal. B. Environ.，等期刊发表科研论文70余篇，其中ESI高被引论文3篇，个人H影响因子26，他引次数超过2300次。
https://www.x-mol.com/university/faculty/24563
本文版权属于X-MOL（x-mol.com），未经许可谢绝转载！欢迎读者朋友们分享到朋友圈or微博！
长按下图识别图中二维码，轻松关注我们！
点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊
