基于聚氧金属酸盐的单原子光催化剂用于氢气生产，并实现呋喃胺的选择性氧化

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：Polyoxometalate-Based Single-Atom Photocatalyst for Hydrogen Production Coupled with Selective Furfurylamine Oxidation

本研究提出新型光催化系统，通过整合水分解制氢与糠胺氧化制备高值化产物N-呋喃亚胺，解决了传统制氢中的气分离困难和氧析出反应热力学限制。多金属氧酸盐负载单原子催化剂在光激发下同步驱动两反应，产氢速率达494 μmol·g?1·h?1，氧化产物选择性99%。结构表征和DFT计算表明原子分散金属中心与多金属氧酸盐框架形成的开放活性位点显著提升电荷转移动力学（较纳米颗粒提高3.7倍），抑制电子-空穴复合，优化有机物吸附，构建首个闭环氧化还原循环体系。

　　

通过水分解实现光催化氢气（H₂）生成面临诸多挑战，包括需要分离气体产物以及氧气释放反应的热力学限制。在此，我们提出了一种新策略，通过将氢气释放半反应与具有附加价值的糠呋胺氧化转化过程整合到一个统一的光催化系统中来克服这些障碍。一种负载在多金属氧酸盐上的单原子光催化剂在光激发下能够同时高效驱动这两种氧化还原反应。系统研究表明，光生电子能够有效还原质子生成氢气（生成速率：494 μmol·g^–1·h^–1），而相应的空穴则选择性地将糠呋胺氧化为N-糠呋基呋呋胺，选择性高达99%。通过先进的结构表征（X射线单晶衍射仪）和密度泛函理论分析，我们发现原子分散的金属中心与多金属氧酸盐框架中的空位协同作用，形成了开放的活性位点，显著提升了界面电荷转移速率（相比纳米粒子催化剂提高了3.7倍）。这种协同配置不仅抑制了电子-空穴的复合，还为有机底物提供了最佳的吸附条件。据我们所知，这项工作首次展示了利用多金属氧酸盐锚定的单原子光催化剂实现氢气生成与生物质增值的闭合氧化还原循环。