太原理工大学蒙海兵、张献明、等团队Angewandte!!路易斯碱立大功!新型 Pt 基催化剂实现高效稳定光催化析氢

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氢能凭借清洁无污染、能量密度高的特质，被视作传统化石能源的优质替代能源，光催化分解水制氢技术因操作简单、成本低廉、安全性强，成为当前氢能制备领域的重点研究方向。在该体系中，铂基材料是常用助催化剂，单原子铂更是凭借原子利用率最大化的优势，成为提升催化效率的理想选择，但单原子铂表面能较高，极易发生团聚，进而大幅降低催化性能。电子金属 - 载体相互作用能够优化催化剂界面结构、加速电子传输、稳固活性位点，是改善铂基催化剂性能的重要思路。过往研究多采用金属氧化物作为载体改性以强化该相互作用，然而这类材料存在表面锚定位点不足、光吸收能力弱、结构灵活性差等短板。二维金属有机框架材料拥有比表面积大、结构可调、利于活性物质分散等优势，逐步成为新型催化载体。不过现阶段针对该材料的研究多聚焦于本体结构改造，对催化位点的分子级别调控机制研究较为匮乏，不同官能团如何调控电子金属 - 载体相互作用、该作用又如何影响电荷转移与反应能垒等核心问题仍未得到清晰解答，制约了 MOF 基光催化材料的进一步发展。

在这项研究中，研究人员选取芘基金属有机框架作为载体，通过接枝巯基、羟基、氨基三类不同路易斯碱基团，对负载在载体上的铂助催化剂配位环境进行定向调控。实验结果表明，不同基团的化学特性会改变其与铂前驱体的结合能力，进而精准调控铂与载体之间的电子金属 - 载体相互作用强度。其中，巯基修饰的样品可形成最强的相互作用，让铂以原子级别均匀分散，构建出 Pt-O/S 配位结构。该结构能够形成强内建电场，有效加快光生电荷的分离与迁移速率，同时使铂表面发生氧化，降低析氢反应的反应能垒。在全光谱光照条件下，以抗坏血酸为牺牲剂时，该催化剂的产氢速率达到 5.68 mmol gcat⁻¹ h⁻¹，单位铂质量产氢速率为 405.71 mmol gpt⁻¹ h⁻¹，性能是未进行路易斯碱改性对照组的 16 倍，综合表现优于多数同类型 MOF 基光催化材料。除此之外，该催化剂还展现出出色的运行稳定性，连续工作 20 小时后依旧可以维持原有催化活性，结构也未出现明显破坏。

本次研究证实，利用路易斯碱配位策略可有效调控铂基助催化剂在芘基 MOF 载体上的分布状态与界面作用，为设计高性能光催化制氢材料提供了全新思路与可行方案。研究团队借助多种表征手段与对照实验，明确了路易斯碱基团、电子金属 - 载体相互作用、催化剂微观结构以及催化性能四者之间的内在关联，厘清了不同官能团对活性位点分散、电荷传输、反应能垒的影响机制。巯基诱导形成的强界面相互作用，既解决了单原子铂易团聚的难题，又从动力学层面优化了光催化反应全过程，兼顾了催化活性与长期使用稳定性。该研究突破了传统载体改性的局限，将分子配位工程应用于光催化体系，搭建起可复制的催化剂设计范式。相关技术思路不仅适用于铂基析氢催化剂的研发，也能够为其他贵金属助催化剂的改性、各类 MOF 基催化体系的优化提供参考，对推动光催化制氢技术走向实际应用、助力清洁能源产业发展具备较高的理论价值与实践意义。