中國地質大學（北京）科研成果：闡明極化電場對單原子化學態(tài)的調(diào)制規(guī)律
來源：光明日報客戶端 時間：2026-02-06 11:48
能源與環(huán)境是人類社會可持續(xù)發(fā)展的基石。然而，化石燃料的過度消耗導致了大量溫室氣體的排放，引發(fā)了嚴重的溫室效應與生態(tài)危機。為了從根本上解決這一困境，尋找清潔、無碳且能量密度高的替代能源迫在眉睫。氫能，因其燃燒產(chǎn)物僅為水且燃燒熱值高，被視為最理想的綠色能源載體。在眾多制氫策略中，利用取之不盡的太陽能驅動光催化分解水制氫，能夠將太陽能直接轉化為化學能，被認為是一種極具前景的綠色制氫技術。然而，體相電荷快速復合與表面催化位點活性不足嚴重制約了其應用。雖然單原子催化劑具備極致的原子利用率，但其本征活性往往未達預期。前期研究已證實，極性材料的體相極化能產(chǎn)生強內(nèi)建電場以驅動電荷分離；與此同時，利用外場調(diào)控單原子活性已成為前沿熱點，但關于內(nèi)建極化電場對單原子電子結構及催化機理的調(diào)控研究仍屬空白。
據(jù)此，中國地質大學（北京）材料科學與工程學院博士生朱子健在黃洪偉教授的指導下，提出“極化電場調(diào)控單原子電子結構”的創(chuàng)新理念，利用極性CdS負載Pt單原子，揭示了極化場與活性位點的協(xié)同增效機制：
1. 極化誘導電子重排：利用CdS的定向極化電場作為微觀“調(diào)節(jié)器”，有效極化了Pt單原子的原子電荷分布，精準調(diào)控了Pt的化學態(tài)與電子結構。
2. 雙重機理增強：該策略在利用極化電場促進光生電荷高效分離的同時，顯著降低了析氫反應（HER）的活化能壘，實現(xiàn)了載流子傳輸與表面反應動力學的同步優(yōu)化。
3. 性能突破：這種通過極化載體本征電場激活單原子位點的策略，成功克服了傳統(tǒng)單原子催化劑活性受限的瓶頸，實現(xiàn)了高效光解水制氫。
本文系統(tǒng)地闡明了極化電場對單原子化學態(tài)的調(diào)制規(guī)律，有望為高活性極性單原子光催化劑的合理設計和開發(fā)開辟新的視野。上述研究成果發(fā)表于材料領域國際權威期刊《Advanced Materials》上。
圖1.晶體定向極化促進體相電荷分離示意圖；CdS納米顆粒與納米棒的形貌和結構表征
圖2.光催化分解水產(chǎn)氫活性
圖3.六方CdS的極性來源與極化電場促進體相電荷分離
圖4.極化調(diào)控單原子化學態(tài)與單位點催化反應
責任編輯：王奕博
