Cd空位与Pt-Pd单原子在CdS中诱导的对称性破缺，从而实现高效压电光催化氢气演化

《Applied Catalysis B: Environment and Energy》：Cd Vacancies and Pt-Pd Single Atoms Induced Symmetry Breaking in CdS for Efficient Piezo-photocatalytic Hydrogen Evolution

高效压光电催化产氢性能提升机制研究。

　　近年来，随着对清洁能源需求的不断增长，研究者们对氢气的高效生产方法展开了广泛探索。其中，一种结合了机械能与太阳能的新型催化技术——压电光催化技术，因其在提升氢气生成效率方面的潜力而备受关注。这项技术通过在压电材料中引入外部机械应力，从而激发内部的压电极化场，进一步促进光生载流子的分离与迁移，从而增强催化反应的效率。然而，尽管压电光催化技术展现出广阔的应用前景，如何在实际应用中进一步提升其催化性能仍然是一个关键挑战。

在此背景下，研究者们开始尝试通过材料结构的调控与元素掺杂相结合的方式，优化压电光催化反应的效率。特别是，利用空位工程与双单原子掺杂技术，被认为是一种有潜力的策略。空位的引入可以打破材料的对称性，从而产生局部极化效应，增强材料的压电性能；而双单原子的掺杂则能够通过其独特的催化位点和协同作用，进一步提升催化效率。基于这一思路，本研究成功合成了具有Cd空位（V_Cd）和Pt-Pd双单原子的CdS复合材料，并进一步探索了其在压电光催化氢气生成中的应用。

本研究中，V_Cd-CdS/Pt-Pd催化剂的构建过程是通过化学沉淀法与水热法相结合的方式，首先在CdS中引入Cd空位，然后通过原位负载Pt和Pd单原子的方式，进一步优化材料的表面结构和电子传输性能。这一过程不仅能够提升材料的压电性能，还能通过空位与单原子之间的相互作用，增强材料的催化活性。通过深入的表征手段和密度泛函理论（DFT）计算，研究团队发现，V_Cd的引入、Pt-Pd双单原子的存在以及超声波等外部应力的作用，共同导致了材料内部极化场的增强和电荷分布的不对称性，从而提升了光生载流子的分离效率，并优化了H*中间体的吸附性能。

实验结果显示，在光照与超声波的共同作用下，优化后的V_Cd-CdS/Pt_0.20-Pd_0.30催化剂实现了高达104.4 mmol g^?1 h^?1的压电光催化氢气生成速率，这一数值分别比V_Cd-CdS和纯CdS催化剂提高了10.0倍和30.7倍。这一显著的性能提升，主要归功于V_Cd-CdS、Pt-Pd双单原子以及超声波诱导的外部应力之间的协同作用。这种协同效应不仅增强了材料内部的极化场，还促进了光生电子与空穴的分离与传输，从而提高了催化效率。

此外，研究团队还发现，超声波诱导的压电极化场能够使材料的能带结构发生倾斜，从而增强材料的还原能力，使得光生电子更容易参与水的还原反应，进而提高氢气生成效率。这一发现进一步揭示了压电光催化反应的机理，也为未来设计高效压电光催化剂提供了新的思路和理论依据。

在材料表征方面，研究团队采用了多种先进的分析技术，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）以及紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）等，对催化剂的结构、表面组成、光学性质等进行了全面分析。这些表征结果不仅验证了催化剂的合成方法，还进一步揭示了其结构与性能之间的关系。例如，XRD分析显示，合成的V_Cd-CdS催化剂的衍射峰与标准的六方CdS（JCPDS 41-1049）相符，表明其结构保持良好。而通过SEM和XPS分析，研究团队发现，V_Cd的引入不仅改变了材料的表面形貌，还影响了其电子结构，从而增强了催化活性。

在实验过程中，研究团队还发现，Cd空位在材料中起到了关键的应力点作用，使得压电极化场能够更有效地激发。同时，Pt和Pd单原子的引入，不仅增强了材料的催化活性，还通过其独特的电子结构和表面配位环境，进一步优化了H*中间体的吸附性能。这一发现为未来设计高效的压电光催化剂提供了重要的理论支持。此外，研究团队还通过DFT计算进一步验证了这些结构变化对催化性能的影响，包括电荷分布的不对称性、电子态密度的调节以及H*中间体吸附能的优化。

在催化剂的性能测试中，研究团队采用了多种实验方法，包括光电化学测试（EIS）、光电流测试（PEC）以及氢气生成速率的测定等。实验结果表明，V_Cd-CdS/Pt-Pd催化剂在光照与超声波的共同作用下，表现出显著的催化活性，其氢气生成速率远高于传统CdS催化剂。这一结果不仅验证了催化剂的合成方法，还进一步揭示了其在实际应用中的潜力。此外，研究团队还发现，V_Cd与Pt-Pd双单原子之间的协同作用，使得催化剂在光催化反应中表现出更高的效率。

在实际应用中，压电光催化技术有望成为一种高效、可持续的氢气生产方法。然而，要实现这一目标，还需要进一步优化材料的结构与性能，提高其在不同环境下的稳定性。此外，研究团队还发现，V_Cd-CdS/Pt-Pd催化剂在光照与超声波的共同作用下，表现出更高的抗光生载流子复合能力，从而提高了催化效率。这一发现为未来设计更高效的压电光催化剂提供了新的思路。

总的来说，本研究通过将结构调控与外部应力相结合，成功构建了具有Cd空位和Pt-Pd双单原子的CdS复合材料，并进一步验证了其在压电光催化氢气生成中的应用潜力。这一研究不仅为压电光催化技术的发展提供了新的理论支持，也为未来设计高效的压电光催化剂提供了重要的参考。此外，研究团队还通过多种表征手段和DFT计算，进一步揭示了催化剂的结构与性能之间的关系，为深入理解压电光催化反应的机理提供了重要的依据。