中国科大光催化分解水研究获进展

最近，中国科技大学国家同步辐射实验室的魏士强教授和姚涛教授的课题组合作设计了一种单活性中心钴基催化剂，利用同步辐射X射线吸收光谱技术实现了太阳能驱动的自发水分解。相关研究发表在《德国应用化学》上，并被选为当前热点文章的重点报道。

人工光合作用利用阳光驱动水分解，是实现太阳能转化生产清洁可再生氢能源的理想方法，也是解决未来能源问题的途径之一。然而，目前大多数光催化剂在不使用牺牲剂的情况下很难分解阳光驱动的水，其效率远远不能满足实际应用的要求。水的光解过程包含复杂的多电子和多步反应。对催化剂材料的要求非常高。不仅需要有适当的能级结构来吸收足够的可见光，而且更重要的是，需要有效地分离和传输光生电子和空穴，并且需要有有效和稳定的活性位点来产生氢和氧。因此，寻找新型高效、稳定、廉价的光催化剂仍面临巨大挑战。

该研究小组建议通过设计和构建单一活性位点结构来分离光生电子和空穴对，并实现作为助催化剂的高效总水解性能。通过氮化碳纳米空间限制效应合成了原子分散的结构位点。同步辐射X射线吸收光谱和大角度环形暗场图像清晰地形成了一种特殊的构型，从而获得了具有单位点的钴基负载磷掺杂氮化碳复合光催化剂。该复合结构在电子能带结构中形成特殊的中间状态，不仅大大提高了材料的可见光吸收，而且有效抑制了光生电子-空穴对复合，成功地将光生载流子的寿命提高了20倍左右。单活性中心复合光催化剂将为进一步提高现有光催化剂的水分解性能提供新的设计思路和方法，也为从原子尺度探索催化活性中心和反应机理提供了新的有效途径。(科尔津)

《中国科学新闻》(第一版集锦，2017年8月8日)