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化科院教师在光催化领域取得重要进展

近日,化科院李亚飞教授课题组在新颖二维光解水催化剂的设计方面取得重要进展,相关研究成果以“PdSeO3 Monolayer: A Promising Inorganic 2D Photocatalyst for Direct Overall Water Splitting Without Using Sacrificial Reagents and Cocatalysts”为题发表在J. Am. Chem. Soc.(JACS, 美国化学会志)上。论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b07855。 JACS是化学领域具有重要影响力的刊物之一,2018年的影响因子为14.357。

  

通过太阳能分解水来制取氢气(H2),可以有效的解决能源短缺和环境污染等问题,因而一直被认为是化学研究中的圣杯。传统的光解水催化剂往往存在光生载流子易复合、活性位点不足等问题。二维材料因为独特的几何结构和电子学性质,被认为是构造高效光解水催化剂的理想选择。然而光解水过程中的析氧半反应是一个涉及4电子转移的复杂过程,往往具有较高的过电势,目前研究的较多的二维光解水催化剂(例如C3N4)大多只能在添加牺牲剂的情况才能驱动析氢半反应,或者在助催化剂的帮助下才能实现将水同时分解为H2和O2。因此探索能够在不添加牺牲剂和助催化剂的情况下实现全解水、并且具有高效可见光吸收的新型二维光催化剂具有重要的科学意义。

李亚飞教授课题组和波多黎各大学陈中方教授合作,通过密度泛函理论计算发现实验上合成的一种层状材料PdSeO3具有非常小的剥离能,因此很容易通过机械或者液相剥离得到PdSeO3单层材料。计算表明PdSeO3单层材料具有一个2.84 eV的带隙,对可见光和紫外光具有相当强的吸收能力。特别的是,PdSeO3单层材料的价带和导带的位置包裹了水的氧化还原电势,其光生电子和空穴可以提供足够的驱动力使得析氢和析氧两个半反应可以在不同的活性位点自发的进行。因此,PdSeO3单层材料可以在无需添加牺牲剂和助催化剂的情况下实现光催化全解水。该研究工作有望为二维光催化剂的研究领域带来新的思路。

本研究工作得到了基金委优秀青年科学基金、江苏省杰出青年基金和江苏省优势学科等项目的资助。本论文的第一作者为化科院2016级博士生乔曼。乔曼同学2014年考入南师大化科院攻读硕士学位,并于2016年转为博士继续从事低维材料的理论研究。到目前为止,已经以第一(含共同第一)作者身份在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Small等杂志上发表学术论文7篇。

化科院供稿

2018.09.03

发布时间:2018/09/03