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將Cu單原子催化劑擔載于TiO₂表面能夠實現(xiàn)優(yōu)異的光催化制氫。但是人們對于其機理并未得到一致意見。特別是對于Cu單原子位點如何實現(xiàn)提高催化活性，動態(tài)變化的Cu化學價態(tài)，Cu原子與H₂O分子軌道的雜化，催化劑顏色的變化。

有鑒于此，西安交通大學劉茂昌、南加利福尼亞大學Oleg V. Prezhdo等通過從頭算量子動力學進行模擬計算，以TiO₂(101)晶面作為模型，研究Cu單原子產(chǎn)生優(yōu)異催化活性的原因。

主要內(nèi)容

（1）

研究結果說明Cu單原子位點的優(yōu)異性能來自于吸附H₂O分子導致Cu形成類似平面配位結構，從而能夠捕獲光生熱電子，并且將熱電子注入Cu和H₂O的雜化軌道。

（2）

實驗中觀測發(fā)現(xiàn)的顏色改變是由于H₂O分子解離釋放的氫原子以及吸附在Cu單原子相鄰的晶格氧原子。吸附的氫原子導致Cu單原子形成催化惰性態(tài)，而非形成催化活性態(tài)。

這項研究工作闡明了原子的局部配位結構與優(yōu)異光催化活性之間的關系，從原子尺度解釋了單原子光催化劑的結構變化。

參考文獻

Yiwei Fu, Kejian Lu, Anlan Hu, Jie Huang, Liejin Guo, Jian Zhou, Jin Zhao, Oleg V. Prezhdo*, and Maochang Liu*, d_z² Band Links Frontier Orbitals and Charge Carrier Dynamics of Single-Atom Cocatalyst-Aided Photocatalytic H₂ Production, J. Am. Chem. Soc. 2023

DOI: 10.1021/jacs.3c10661

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c10661