强化反应性金属-载体相互作用稳定缺电子g-C3N4上的高密度Pt单原子提升光催化制氢性能

　　调控反应性金属-载体相互作用(RMSI)是一种优化催化活性位点的有效方法。然而RMSI效应一般发生在高温条件(> 550℃)下的可还原性氧化物表面，限制它的应用范围。北京大学郭少军团队首次通过冰冻辅助的原位光催化还原方法实现了低温(< 0℃)下富含氮空位的g-C₃N₄和贵金属单原子之间的RMSI效应（图a）。研究结果表明g-C₃N₄中丰富的氮空位产生了明显的缺电子效应，有效加强了Pt单原子(PtSA)与g-C₃N₄之间的RMSI。这种强RMSI不仅促使了PtSA在g-C₃N₄上具有迄今为止碳基材料中最高的PtSA覆盖密度(0.35 mg m^-2)，而且还使PtSA展现了比富电子g-C₃N₄上的PtSA更高的产氢活性(174.5 mmolgPt^-1h^-1)。计算模拟表明RMSI不仅可以通过氮空位处的二配位C原子与Pt之间的强化学作用稳定PtSA，而且也同时优化了PtSA的电子结构以促进光生电子捕获和产氢。 

　　在北京同步辐射装置(BSRF)1W1B-XAFS实验站的支持下，研究人员获得了Pt L3边的EXAFS谱，解析了Pt单原子的配位结构。结果证实PtSA倾向于与氮空位处的二配位碳形成Pt-C键(图b)，该实验模型与提出的理论模型一致。这种Pt-C相互作用使PtSA具有更负的5d电子态，加强了PtSA与g-C3N4之间的RMSI。 

　　图：(a)冰冻辅助的原位光催化还原法制备超高密度的PtSA负载的g-C3N4原理图。刻标尺:2纳米。(b) Pt L3边在R空间的EXAFS光谱。 

　　本研究为在热稳定性低的光催化剂表面负载金属单原子提供了一个有趣的策略。探索金属单原子与光催化材料之间的RMSI效应将有助于开发出更高性能的光催化材料。同步辐射光束线将对于理解这些RMSI效应将发挥重要的作用。相关成果于2018年11月15日发表在国际权威杂志《Nano Energy》上。 

　　发表文章： 

　　Peng Zhou, Fan Lv, Na Li, Yelong Zhang, Zijie Mu, Yonghua Tang, Jianping Lai, Yuguang Chao, Mingchuan Luo, Fei Lin, Jinhui Zhou, Dong Su and Shaojun Guo* Strengthening reactive metal-support interaction to stabilize high-density Pt single atoms on electron-deficient g-C3N4 for boosting photocatalytic H2 production. Nano Energy, 56(2019), 127–137.