郑坤/张睿/Bing Tang Angew.：增强金属载体前沿轨道相互作用实现高效光催化合成H2O2

研究内容

改性的g-C3N4已被广泛应用于各种光催化反应中。然而，设计高效的原子结构、突破活性瓶颈和阐明精确的反应机理仍然是光催化剂发展的关键挑战。

北京工业大学郑坤/张睿/清华大学Bing Tang开发了一种创新的光催化剂原子结构设计（AuNPsNi1CN），其中Ni单原子、N空位和g-C3N4处的Au纳米粒子（NPs）。N空位增强了Ni电子轨道和g-C3N4前线轨道之间的金属支持前线轨道相互作用，形成了四电子水氧化反应（4e−WOR）的高活性位点，显著增强了质子（H+）的供应能力。大量实验表明，引入的Au NPs通过双电子氧还原反应（2e−ORR）产生H2O2，在纯水中的收率为437.53 µM·h−1。相关工作以“Atomic Structure Design for Enhancing Metal-Support Frontier Orbital Interaction to Achieve Efficient Photocatalytic H2O2 Generation”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

研究要点

要点1. 作者利用缺陷工程和金属协同作用开发了改性的g-C3N4，用于高效的光催化H2O2生产。

要点2. 作者通过原子结构设计和验证，锚定在N空位上的Ni单原子与g-C3N4 HOMO表现出增强的金属支持前线轨道相互作用耦合，从而为4e−WOR建立了稳健的活性位点。随着随后的Au NPs负载，在Ni和Au活性位点之间实现了光生电子和空穴轨道的空间分离，显著提高了量子效率，在没有牺牲剂的情况下实现了437.53 µM·h−1的H2O2产量。

要点3. 原位傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）研究为阐明反应机理提供了明确而令人信服的证据。理论计算表明，Ni单原子引起最高占据分子轨道（HOMO）的调节，增强了空穴的氧化能力，而Au NPs优化了O2吸附能，降低了2e-ORR的反应势垒。

这种结合缺陷工程、单原子锚定和金属NPs负载的原子级结构设计策略为开发高效的光催化材料提供了一种新方法。

研究图文

图1.氧化活性位点的原子结构设计。

图2.AuNPsNi1CN的显微图像。

图3.AuNPsNi1CN上2e-ORR的光催化H2O2生产。

图4.基于第一性原理计算的反应机理分析。

文献详情

Atomic Structure Design for Enhancing Metal-Support Frontier Orbital Interaction to Achieve Efficient Photocatalytic H2O2 Generation

Chen Li, Zhiyi Sun, Jiawei Song, Bing Tang,* Peijie Ma, Rui Zhang,* Lanlu Lu, Kun Zheng*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI:https://doi.org/10.1002/anie.202514661

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