原子级设计TiO2 负载Pt-Pd双单原子位点：突破单原子催化局限实现高效光催化产氢

本研究针对单原子催化剂(SACs)在光催化产氢中存在的d带中心固定、活性位点单一及热力学不稳定性等问题，通过H2 -Ar气氛热还原在TiO2 纳米片上构建氧空位(Ov)，成功锚定Pt-Pd双单原子(DACs)。实验表明Pt-Pd/TiO2 的产氢速率达3522.65 μmol·h-1 ·gcat -1 ，较纯TiO2 提升130.2倍。密度泛函理论(DFT)证实双原子通过电子互补和空间协同作用降低反应能垒，为设计高效双原子光催化剂提供新范式。

　　

在能源转型的全球背景下，绿色氢能作为最具潜力的清洁能源载体，其制备技术成为各国科研竞逐的焦点。传统光催化剂TiO₂
虽具有稳定性高、成本低等优势，却受限于宽禁带(3.0-3.2 eV)导致的太阳光利用率不足5%，以及光生载流子复合率高达90%等瓶颈。更棘手的是，当前最先进的单原子催化剂(Single-Atom Catalysts, SACs)面临"尺度关系极限"(Scaling Relationship Limit, SRL)——当金属负载量增加时，孤立原子易团聚成簇，且固定d带中心难以同时优化多步反应能垒。这些挑战严重制约着光催化产氢技术的工业化进程。

针对上述问题，国内研究人员在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究中，创新性地提出"双单原子催化剂"(Dual-Atom Catalysts, DACs)策略。通过H₂
-Ar混合气氛(1:9, v/v)热还原法在TiO₂
纳米片上精准构建氧空位(Ov)，成功锚定Pt-Pd异核双原子对，形成稳定的Ti-Pt-Ti和Ti-Pd-Ti配位结构。研究团队采用沉积-沉淀法替代传统光还原和原子层沉积(ALD)技术，在无需光照条件下实现金属原子的高分散负载，并通过X射线吸收精细结构谱(EXAFS)等表征证实原子级分散。

实验结果揭示三大突破性发现：

1. 性能飞跃：Pt-Pd DACs的产氢速率达3522.65 μmol·h^-1
   ·g_cat
   ^-1
   ，较单原子Pt催化剂(1956.45 μmol·h^-1
   ·g_cat
   ^-1
   )提升80%，且稳定性显著优于易团聚的SACs。
2. 机制创新：DFT计算显示Pd的引入使Pt的d带中心下移0.35 eV，优化氢吸附自由能(ΔG_H*
   )，同时氧空位作为电子陷阱将载流子复合率降至30%以下。
3. 协同效应：Pt-Pd双原子通过"空间分工"实现动力学优化——Pt主导H⁺
   还原，Pd调控H₂
   脱附，使决速步能垒降低1.8 eV。

结论与展望：该研究不仅证实双原子催化剂在克服SACs局限性方面的独特优势，更建立了"电子结构互补-空间协同-动力学分工"的多级增效机制。特别值得注意的是，通过构建Ti-(Pt-Pd)-Ti三原子反应中心，实现金属-载体电荷双向流动，使可见光响应范围扩展至600 nm。这些发现为设计新一代原子级精准催化剂提供理论框架，其采用的温和制备工艺更具工业化应用前景。未来研究可进一步探索其他过渡金属组合(如Ir-Mo、Co-Ni等)在CO₂
还原、固氮等反应中的双原子效应，推动多相催化进入"定制化活性位点"的新纪元。