近日，重庆大学物理学院周小元教授、甘立勇教授团队在《Advanced Materials》期刊发表题为“Noble-Metal-Free Cocatalysts Reinforcing Hole Consumption for Photocatalytic Hydrogen Evolution with Ultrahigh Apparent Quantum Efficiency”的研究论文，重庆大学在读博士生冯亚杰为第一作者。
光催化可将太阳能转化为化学能，是一种极具应用前景的可持续能源转化技术。光催化剂的活性、稳定性和成本是决定其能否实际应用的关键。然而，在光催化过程中，光生空穴传输极其缓慢，导致光生电子/空穴对复合率高，严重制约光催化效率的提升，从而使得该技术面临着巨大挑战。
针对以上问题，研究团队提出利用非贵金属助催化剂作为氧化位点来促进空穴动力学的策略，获得了与贵金属助催化剂相媲美的催化性能（图1）。该策略与传统方法主要关注增强电子动力学不同，独特地针对经常被忽视的空穴动力学，这对于抑制电子/空穴对复合和提高光催化效率至关重要。团队结合飞秒瞬态吸收光谱、原位表征及理论计算，证实了空穴的快速消耗，进而促进光生载流子的有效分离与迁移。最终催化剂展现出卓越的光催化制氢效率，表观量子效率高达65.8%，创下了迄今为止非贵金属修饰TiO2光催化剂的最高纪录。此外，该催化剂在流动相反应器件中也表现出优异的析氢效率，而且具有良好的稳定性。
图1.（a）电子动力学调控和（b）空穴动力学调控策略，（c）不同样品空穴寿命和CH3O−的产量，（d）该工作与文献TiO2基光催化剂表观量子产率对比，（e）自制流动相反应器。
文章链接为：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202412965。该工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金、理论物理专款、重庆市自然科学基金、中央高校基金等项目以及重庆大学分析测试中心老师们的大力支持。
据悉，周小元教授、甘立勇教授团队2024年在光催化研究上取得了系列成果。团队提出利用前驱体硫脲分子在聚合形成CN基底前分离锚定单原子的原位合成策略，成功实现多种单原子催化剂的普适、高负载、宏量制备。单批次可生成3.565 kg，金属单原子的负载量达到16.03 mol%，处于世界领先水平，该工作有望促进单原子催化剂的工业化进程[Advanced Materials 2024, 36, 2405900]。此外，该团队还提出光致变色单原子Ag/TiO2催化剂用于选择性CO2光还原制CH4。肉眼可见的电子捕获光致变色，为大幅提高光生电子产率以及加速各种光催化还原反应开辟了一条新途径[Energy & Environmental Science 2024, 17, 518]。
