铜单原子催化剂推动了高效太阳能驱动制氢

CdS/Cu-W2N3用于FA光重整的机理

　　氢被认为是未来的清洁燃料，但传统的生产方法仍然是能源密集型和高碳排放。甲酸是一种常见的生物质衍生物和氢载体，它的光重整为制氢提供了一种温和、可再生的途径。然而，传统的半导体催化剂，如CdS，由于竞争性的副反应，包括一氧化碳的形成，降低了氢的纯度，因此活性低，选择性差。过渡金属氮化物最近作为性能改进的助催化剂出现，但选择性限制仍然存在。基于这些挑战，迫切需要开发具有工程活性位点的先进催化剂，以提高氢光重整系统的效率和选择性。

　　近期，西安交通大学（Xi’an Jiaotong University）、华南大学（University of South China）和合作研究所的一个研究小组在《碳能源》（Carbon Energy ）杂志上报告了一项进展（DOI：10.1002/cey2.70024）。该研究提出了一种含有原子分散铜位的Cu-W₂N₃助催化剂，当与CdS结合时，它显著提高了甲酸光重整产氢的效率。新体系具有更高的活性和近95%的氢选择性，优于传统的助催化剂。这项工作揭示了如何在助催化剂表面上定制单原子位点，从而有效地指导反应途径，以产生清洁的氢。

　　该团队使用改进的熔盐方法合成了二维Cu-W₂N₃纳米片，确保了铜的原子分散而不是聚集成纳米颗粒。先进的显微镜和光谱学证实了在W₂N₃晶格中嵌入1氧化态的Cu单原子位点的存在。这些位点改变了电子结构，创造了Cu-N-W电子通道，促进了电荷从CdS到助催化剂的快速转移。性能测试表明，CdS/Cu–W₂N₃混合物的产氢率为172.69 μmol·h⁻1，选择性高达93.7-95%，明显高于裸CdS（45%）或CdS/W₂N₃（83%）。

　　该系统在10个连续周期内也表现出优异的稳定性。机制研究表明，铜单原子通过减少氮空位来抑制一氧化碳的生成，同时为氢的生成提供有效的新活性中心。密度泛函理论计算进一步支持了{001}面上的Cu单原子在能量上有利于氢的形成。总之，这些发现证实了单原子助催化剂的合理设计是在太阳能驱动制氢中同时实现高活性和选择性的有力策略。

　　通讯作者Xiangjiu Guan教授说：“我们的研究表明，在氮化钨中引入单原子铜位从根本上改变了光催化反应的选择性。这些原子分散的位点不仅加速了电子转移，而且抑制了产生一氧化碳的竞争途径。这种双重功能使我们能够在阳光下获得纯度非常高的氢。这项工作强调了在原子水平上对助催化剂表面进行精心设计，可以为利用可再生资源高效、可持续地生产氢气创造新的机会。”

　　Cu-W₂N₃单原子助催化剂的开发为实用的太阳能驱动制氢开辟了新的途径。通过确保高选择性和稳定性，该系统解决了光催化氢技术的两个主要障碍。

　　除了甲酸，这种设计还可以应用于其他生物质衍生燃料和液氢载体，为碳中和能源转换与生物质利用的结合提供了一条可持续的途径。该研究还推进了单原子催化的更广泛领域，展示了原子精度如何控制反应结果。最终，这种方法为生产高纯度氢气铺平了道路，作为运输、储存和化学工业的清洁燃料。

　　（素材来自：西安交通大学、华南大学 全球氢能网、新能源网综合）