侯军刚教授：单原子活性位点助力光电催化研究

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在太阳能的高效利用领域，直接光电化学(PEC)水裂解是缓解能源和环境问题的一种极具前景的解决方案。然而，PEC的性能通常受到较差的光收集、较低的电荷分离和转移、以及缓慢的水氧化动力学所限制。为了解决上述问题，科研人员开发出各种可作为优异光阳极的材料用于PEC水裂解。其中，BiVO4因其具有合适的带隙和低成本等优点，而被公认为是最具前景的候选材料之一。然而，BiVO4光阳极存在着电荷传输性能差和光腐蚀严重等问题，长期制约着PEC的性能。

        在诸多策略中，通过负载合适的析氧助催化剂(OECs)进行表面改性，被认为是优化BiVO4光阳极PEC活性的可行方法。通常，OECs可以钝化表面缺陷，加速表面水氧化的反应动力学，从而促进PEC系统中的电荷分离与传输。迄今为止，金属氧化物和金属氢氧化物通常被作为BiVO4光阳极的OECs，通过抑制表面电荷的复合来提高PEC活性。然而，OECs与光阳极之间的界面相互作用对BiVO4上光生电荷分离和传输的影响一直被忽视。因此，为了增强PEC水裂解性能，设计稳定的OECs/BiVO4光阳极至关重要。
         为了精确地调控电荷转移，在PEC系统中引入电荷转移层被认为是一种很有前景的策略。通常，电荷提取层可以促进光阳极到OEC的空穴转移，延长光阳极表面的空穴捕获寿命。然而，直到目前为止，将单原子催化剂作为光阳极上的电荷转移层仍旧尚未报导。特别地，引入单原子可以通过调节电荷分布和调控单原子的配位环境来提高载体材料的析氧反应性能。
        侯军刚教授团队在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society上发表题为“Engineering single-atomic Ni-N4-O sites on semiconductor photoanodes for high-performance photoelectrochemical water splitting”的研究文章(J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 20657−20669)。本工作在析氧助催化剂(OECs: FeOOH, NiOOH, NiOOH/FeOOH)和BiVO4光阳极之间设计出具有轴向氧原子(M-N4-O)配位的原子级分散M-N4位点(M = Ni, Co, Fe)；该设计可以促进光生电子-空穴的分离，从而提高PEC活性。通过像差校正高角度环形暗场扫描透射电镜、扩展X射线吸收精细结构和X射线吸收近边结构表征，可以分析出Ni-N4和Ni-N4-O物种的局部原子配位构型。值得注意的是，所制备出的FeOOH/Ni-N4-O/BiVO4光阳极在1.23V电位下表现出创纪录的6.0 mA cm–2光电流密度，以及卓越的长期光稳定性。根据X射线吸收精细结构分析和密度泛函理论计算，如此优异的PEC性能可归因于OEC/BiVO4中单原子Ni-N4-O物种的构建，从而促进空穴从BiVO4向OEC的传输，并降低反应的自由能垒，加速PEC水裂解的反应动力学。
       论文第一作者为大连理工大学张肖萌、翟潘龙和张艳雪，通讯作者为侯军刚教授。
       文章链接https://doi.org/10.1021/jacs.1c07391.


       文章来源：大连理工大学
        侯军刚，大连理工大学精细化工国家重点实验室教授。2010年毕业于天津大学，获工学博士学位。2010年7月入职北京科技大学，2013年晋升副教授，2014年1月获日本学术振兴会Fellowship (JSPS Fellowship)，2014年1月至2015年9月在日本东北大学工学部任特别研究员，2015年9月至2018年1月在大连理工大学人工光合作用研究所任特聘研究员，于2018年1月聘为大连理工大学精细化工国家重点实验室教授。主要从事太阳能分解水领域的研究，致力于发展能源光催化材料的可控合成与集成组装方法，建立微纳米结构、能带结构、电荷传输与催化性能之间的构效关系，实施太阳能光催化体系在光能、电能与化学能之间的高效转换，实现高效太阳能转化。至今已在Angew. Chem. Int. Ed. (1篇，IF=11.994)、Energy Environ. Sci. (3篇，IF=29.518)、Adv. Energy Mater. (2篇，IF=16.721)、Adv. Funct. Mater. (1篇，IF=12.124)、Nano Energy (4篇，IF=12.343)等国际刊物上发表论文70余篇(其影响因子IF>29的3篇，IF>10的11篇)，被Chem. Rev.、Nat. Mater.、Prog. Mater. Sci.、Nano Today、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等国际期刊引用1696次，H指数为30。主持国家自然科学基金面上项目(2项)和青年基金项目(1项)、教育部高校博士点基金项目、中国博士后科学基金面上项目(一等资助)等。2014年入选北京高等学校“青年英才计划”，2017年入选大连理工大学星海优青人才培育计划的资助。在重要国际和国内学术会议上多次进行邀请报告；自2017年担任《Journal of Energy Chemistry》青年编委以及Angew. Chem. Int. Ed.、Energ. Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、ACS Nano、ACS Catal.、Small、Appl. Catal. B.、ACS Appl. Mater. Interfaces等国际期刊审稿人。