单原子Pt修饰CdS/TiO2纳米管异质结的可见光催化产氢性能优化研究

针对光催化产氢过程中光生载流子快速复合和活性位点不足的挑战，研究人员通过构建CdS敏化TiO2纳米管（TNTs）异质结并负载Pt单原子（SAs），实现了可见光驱动的高效产氢。优化后的Pt-SAs-CdS/TNTs催化剂产氢量达1668.6 μL（24小时），较未修饰体系提升19.6倍，为原子级催化剂设计提供了新思路。

　　

在能源危机和环境污染的双重压力下，太阳能驱动的光催化水分解制氢技术被视为实现绿色能源转型的重要途径。然而，传统光催化剂普遍面临两大瓶颈：一是半导体材料（如TiO₂）的宽带隙特性导致其仅能利用占太阳光谱3-5%的紫外光；二是光生电子-空穴对的快速复合严重制约量子效率。更棘手的是，作为助催化剂的贵金属（如Pt）通常以纳米颗粒形式存在，不仅原子利用率低，还容易因团聚而失活。

针对这些挑战，某研究机构团队在《Fuel》发表了一项突破性研究。他们创新性地将单原子催化技术（Single-Atom Catalysts, SACs）与半导体异质结设计相结合，通过精确调控Pt单原子在CdS敏化TiO₂纳米管（TNTs）上的锚定位点，实现了可见光驱动的高效产氢。这项研究不仅为原子级催化剂的精准构筑提供了范本，更通过19.6倍的活性提升验证了"少即是多"的催化哲学。

研究团队采用三步法构建催化剂体系：首先通过阳极氧化法在钛箔上制备垂直取向的TiO₂纳米管阵列；随后采用连续离子层吸附反应（SILAR）技术可控沉积CdS纳米颗粒形成异质结；最后通过"暗反应沉积法"将Pt以单原子形式（Pt-SAs）负载于CdS/TNTs表面。借助HAADF-STEM和XPS等技术证实了Pt-SAs通过与载体形成Pt-S和Pt-O配位键稳定存在。

3. 结果与讨论
3.1 结构表征
FE-SEM显示CdS/TNTs异质结保持纳米管开放结构（直径约100 nm），6次SILAR循环时达到最佳CdS分散度。XRD和HRTEM证实了CdS(002)晶面与TiO₂(101)晶面的紧密接触，而HAADF-STEM直接观测到孤立的Pt单原子（图2d）。XPS分析揭示Pt呈现Pt^δ+（δ≈2）的独特电子态，通过Pt-S和Pt-O键锚定在载体表面。

3.2 光电性能
IPCE测试显示CdS敏化使光响应范围拓展至可见光区（2.37 eV），Pt-SAs的引入进一步提高了电荷分离效率。能带计算表明CdS/TiO₂形成II型异质结（导带偏移0.31 eV），而Pt-SAs作为电子陷阱促进质子还原（图5）。

3.3 催化性能
在AM 1.5G模拟太阳光下，最优样品TNT-C6-S2（0.05 mM Pt）产氢量达1668.6 μL，是纯CdS/TNTs的19.6倍。可见光区（λ>420 nm）活性达30.22 μL/h，证实了体系的可见光捕获能力。稳定性测试显示5次循环后活性保持率达90%，XPS证实Pt-SAs仅发生轻微聚集但仍保持配位结构。

这项研究通过原子级工程实现了三重协同效应：CdS扩展了光响应范围，异质结促进电荷分离，而Pt-SAs则优化了质子吸附/脱附动力学。特别值得注意的是，研究揭示了光催化体系中单原子催化剂与传统多相催化的本质区别——前者更注重载体光吸收与原子位点间的电子耦合，而非单纯追求高金属负载量。该工作为设计高效稳定的太阳能转化系统提供了新范式，其"半导体异质结+单原子助催化剂"的策略可拓展至其他清洁能源反应体系。