近日，國際知名學(xué)術(shù)期刊《Nano Letters》以“Palladium Hydride Anchored on SrTiO₃ with Efficient Charge Separation and Surface Reaction Kinetics for Enhanced Photocatalytic Overall Water Splitting”為題，在線報道了我校材料科學(xué)與工程學(xué)院清潔能源材料與器件團隊在光分解純水制氫領(lǐng)域的重要研究進展。

光催化分解純水制氫技術(shù)因其在太陽光下可以直接將水分解成氫氣和氧氣，成為可再生能源制取綠氫的重要途徑之一。然而，目前主流光催化材料普遍面臨載流子復(fù)合嚴重、界面反應(yīng)動力學(xué)緩慢及助催化劑與主體光催化材料結(jié)構(gòu)不匹配等關(guān)鍵瓶頸，嚴重制約了整體光解水制氫反應(yīng)效率的提升。因此，開發(fā)電子結(jié)構(gòu)可調(diào)、與半導(dǎo)體光催化劑結(jié)構(gòu)高度匹配、兼具電荷分離與表面活性反應(yīng)位點作用的新型助催化劑材料，成為了光解水制氫領(lǐng)域亟待突破的科學(xué)難題。

針對這一關(guān)鍵問題，我校材料科學(xué)與工程學(xué)院清潔能源材料與器件團隊選取鈦酸鍶（SrTiO₃, STO）作為半導(dǎo)體光催化材料，通過在STO表面定向錨定晶格匹配的Pd納米團簇作為助催化劑，進一步通過原位注氫手段可控構(gòu)建出PdH_x活性結(jié)構(gòu)。PdH_x/STO的光催化體系展現(xiàn)出優(yōu)異的光分解純水制氫性能，其氫氣析出速率高達5 mmol·g^-1·h^-1，較未注氫前的Pd/STO提升6.4倍。

研究團隊進一步通過精細結(jié)構(gòu)表征、飛秒瞬態(tài)吸收光譜及理論計算等，揭示了PdH_x助催化劑在原位注氫過程誘導(dǎo)的電子結(jié)構(gòu)調(diào)控顯著提升了電子傳輸性能與表面反應(yīng)動力學(xué)：一方面，原位形成的PdH_x位點具有適中的氫吸附能；另一方面，PdH_x的d軌道電子密度下降從而抑制了載流子復(fù)合，延長了載流子有效壽命并提高了電荷轉(zhuǎn)移效率。該研究工作創(chuàng)新性地將Pd基氫化物應(yīng)用于光分解純水制氫領(lǐng)域，在助催化劑與主體光催化劑界面結(jié)構(gòu)匹配與電子相互作用調(diào)控方面提供了理論依據(jù)，對原子尺度精確調(diào)控助催化劑反應(yīng)位點具有重要意義。

該研究工作主要由材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生丁鵬程、碩士研究生楊海翔在劉鵬飛副教授、戴升教授、楊化桂教授等人的指導(dǎo)下開展完成。研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)等項目資金的支持。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c01007