北京大学郭少军教授团队：原位NH4+刻蚀制备Mo单原子位催化剂助力高效可见光催化制氢

光催化制氢为解决能源短缺和环境污染问题提供了一条有效途径，但半导体光催化剂较低的制氢效率限制了其大规模应用。目前，实现高效光催化制氢所面临的主要挑战是载流子快速复合和非优的氢吸附能。设计高效的助催化剂被证明是一种有效策略，可同时促进光生载流子分离和优化氢在其表面的吸附能。然而，纳米尺度的助催化剂通常具有相对较低的活性原子利用率，在负载量和光吸收之间的存在权衡关系，难以有效提升光生载流子分离效率等问题，限制了光催化性能的进一步提高。

单原子位催化剂以其100%的原子利用率和优异的催化性能引起了人们广泛关注。单原子与光催化剂载体之间的原子界面有利于缩短载流子的扩散程长，调节载流子转移的方向和效率。此外，单原子与光催化剂载体之间的相互作用能够调控活性中心的电子性质，优化反应中间体在催化剂表面的吸脱附强度。界面电荷转移和析氢反应动力学主要由单原子的配位环境决定，因此精准合成具有明确配位构型的单原子位助催化剂是实现高效光催化制氢的前提。尽管自上而下的热离解/发射策略被证实是一种精准控制单原子配位结构的有效策略，然而，在高温和腐蚀性NH₃或PH₃气体环境下，将原子发射到不稳定的光催化剂载体表面仍然具有很大的挑战性。

鉴于此，北京大学郭少军教授课题组开发了一种全新的原位NH₄⁺刻蚀策略，在低温下（80 ^oC）将Mo单原子锚定在ZnIn₂S₄分级纳米管上。该策略打破了传统自上而下热离解/发射方法在催化剂载体上负载非贵金属单原子的高温限制。具有独特Mo-S₂O₁构型的Mo单原子锚定的ZnIn₂S₄分级纳米管光催化剂展现出优异的光生载流子分离性能和快速的H₂析出动力学。该分级纳米管具有丰富的介孔，增加了活性中心的暴露，加速了传质，增强了光的多次反射。该新型光催化剂表现高的光催化析氢活性，其速率为5.98 mmol g⁻¹ h⁻¹，是纯ZnIn₂S₄纳米片的7.3倍。这一策略为低温、精准负载非贵金属助催化剂提供了新的思路（见下图）。

该成果以“An in-situ NH₄⁺-etched strategy for anchoring atomic Mo site on ZnIn₂S₄ hierarchical nanotubes for superior hydrogen photocatalysis”为题，将作为封面文章发表于Science China Chemistry第10期上（doi:10.1007/s11426-021-1063-2）。

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作者简介

郭少军 本科毕业于吉林大学，于中科院长春应化所获博士学位（导师：汪尔康院士），之后在美国布朗大学做博士后研究工作，洛斯阿拉莫斯国家实验室奥本海默杰出学者。现任北京大学长聘教授、博雅特聘教授。获首届科学探索奖、中国青年科技奖。主要从事燃料电池、氢能、二氧化碳转换和储能电池关键材料与器件研究，以通讯作者在Nature、Science和Nat. Rev. Mater.等高影响力期刊发表学术论文200余篇。