基于贵金属和地壳丰产金属单原子的制氢光催化剂创新策略

《Chinese Journal of Catalysis》：Innovative strategies in noble and earth abundant metal single-atom-based photocatalysts for hydrogen production

　　

摘要

本综述全面概述了基于单原子的贵金属（Pt、Pd、Ag、Au、Ru和Rh）及地壳丰产金属（Co、Cu、Ni、Fe和Mo）光催化剂（SACs）用于氢气（H₂）制取的进展。我们首先介绍了SACs的基本原理，随后探讨了实现原子级分布和增加活性位点密度的合理设计策略。然后，详细总结了基于贵金属和地壳丰产金属的SACs在增强H₂制取活性方面的表现。此外，深入分析了电荷转移机制，包括电荷分离、转移和空间定义的电子离域化，以揭示结构-活性关系和配位依赖性催化性能。最后，讨论了设计高效SACs所面临的近期挑战与前景。总体而言，本综述通过突出SACs的基本原理、性能评估和机制洞察，为实际的光能制H₂转化提供了有价值的指导。

引言

全球能源危机加剧以及不可再生能源消耗导致的环境污染物排放，加速了向可再生和绿色能源技术的转变[1, 2, 3]。H₂作为可再生能源载体，因其高能量密度和无污染燃烧排放而具有重要意义[4, 5]。光催化水分解利用太阳能，被认为是一种高效的H₂制取策略，因为它有潜力将丰富的清洁太阳能直接转化为化学燃料[6, 7]。然而，传统光催化系统存在诸多不足，如反应动力学受限、量子效率低、载流子复合以及活性位点匮乏，这些限制了其在实际应用中发挥潜力。

近年来，SACs因其在光催化领域独特的物理化学特性而受到广泛关注[8, 9, 10]。SACs通过在适当的载体材料上分散单个金属原子，促进了均相催化和非均相催化之间的关联[11, 12, 13]。此外，SACs提供了更高的原子利用率、可调节的配位环境、可适应的几何构型以及卓越的催化活性。这些因素使其成为促进光驱动H₂析出反应的潜在候选者[14, 15, 16]。特别是，基于贵金属的SACs因其改善的H₂吸附能和适当的电子构型而在HER中表现出优异的活性[16, 17, 18]。然而，贵金属的可用性限制、高成本和可持续性问题制约了其工业应用。为应对这些问题，研究人员已做出大量努力探索地壳丰产金属，包括Co、Cu、Ni、Fe和Mo基SACs用于H₂制取[19, 20]。这些金属资源丰富、成本低廉，并提供可调节的氧化态和配位动力学，有利于创建有效的HER活性位点。然而，在温和条件下限制这些单原子（SAs）、调节其配位位点以及阐明原子级载流子机制等方面仍存在挑战。

本综述深入概述了用于H₂析出的贵金属（Pt、Pd、Ag、Au、Ru和Rh）及地壳丰产（Co、Cu、Ni、Fe和Mo）过渡金属单原子光催化剂（SACs）的新兴趋势。本综述的主要特点和重点如图1所示。我们系统讨论了贵金属和地壳丰产金属SACs的设计策略和光催化H₂析出性能。此外，评估了光催化H₂制取机制，特别关注电荷迁移路径、配位依赖性电子构型以及它们在单原子体系光催化活性中的作用。以往的综述已报道了SACs在能源转化和H₂制取方面的发展，涵盖了材料设计、机制和光催化应用[8, 15, 21, 22]。然而，本综述专门且同时涵盖了用于光催化H₂制取的贵金属和地壳丰产过渡金属SACs，并深入关注其电荷转移机制。最后，我们突出了关键挑战和未来展望，以指导高效且经济型SACs的合理设计，用于光驱动H₂析出。

章节摘要

用于H₂析出的SACs基本机制

图2(a)展示了使用半导体光催化剂进行光催化H₂制取的主要步骤[23, 24, 25]。在可见光照射下（hv ≥ E_g），光催化剂吸收光子，产生电子-空穴（e^–/h⁺）对。激发电子（e^?）转移到导带（CB），而空穴（h⁺）留在价带（VB）中。因此，部分光激发电子迁移到表面将质子（H⁺）还原为H₂，而其余则与h⁺复合，导致

用于H₂制取的贵金属和地壳丰产金属SACs

SACs凭借其最优的原子利用性能、活性位点的原子级精度和可调的电子排列，已成为H₂制取领域的新方向[33]。将金属SAs集成到载体上展现出卓越性能，同时减少了金属消耗，有助于可持续发展。在本部分，我们全面总结了H₂制取中SACs的最新进展，包括贵金属和地壳丰产过渡金属基

结论与未来展望

本综述系统概述了用于光催化H₂制取的贵金属（Pt、Pd、Ag、Au、Ru和Rh）和地壳丰产（Co、Cu、Ni、Fe和Mo）过渡金属SACs的最新进展。我们重点关注设计策略、催化活性和电荷迁移机制。通过同时关注贵金属和地壳丰产SACs，本综述为其相似性、差异性和机制路径提供了关键洞察，这些内容在以往综述中通常被忽视。

利益冲突

作者声明不存在竞争性经济利益。

徐安武 （中国科学技术大学微观物质物理科学合肥国家研究中心）是中国科学技术大学教授。他于1998年在该校获得应用化学博士学位。他在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Nano、ACS Energy Lett.、ACS Catal.和Adv. Funct. Mater.等知名期刊上发表了超过270篇SCI论文。

Ikram Ullah|Risheng Duan|Muhammad Amin|Waqar Ahmad Qureshi|An-Wu Xu|Pei Zhao|Ning Qin

山东 university 能源与动力工程学院，中国山东济南 250061