太原理工大学张献明、郭绍晖等团队Advanced Materials!!突破金基催化剂瓶颈!Au₂₅团簇量子等离激元策略实现高效光催化全解水

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全球人口持续增长与工业化推进持续拉高能源消耗，传统化石能源大量使用带来碳排放超标、气候恶化等多重难题，开发零碳可再生氢能成为全球能源转型核心任务。依托太阳能光催化分解水制备绿氢，无需额外碳排放，是极具潜力的清洁能源转化路径，等离激元修饰半导体材料也被广泛用于优化光催化产氢性能。现阶段主流金纳米颗粒等离激元改性方案存在明显短板，仅能驱动水分解半反应，想要同时产出氢气与氧气，必须额外引入助催化剂或搭建复合型 Z 型结构，工艺复杂度大幅提升。当贵金属尺寸缩小至原子级团簇尺度时，量子限域效应会重塑表面电子排布，形成区别于传统局域等离激元的量子修正等离激元效应，该机制已在光伏器件中证实可优化电子传输，但在光催化全解水领域缺乏完整实验验证。现有研究尚未厘清该效应调控水分子吸附、活化的内在逻辑，无法指导高效全解水催化剂定向设计，成为制约团簇基光催化体系发展的关键知识缺口，亟需针对性实验与机理研究填补空白。

在这项研究中，研究人员联合太原理工大学与西北工业大学两支科研团队，设计合成 ZnIn₂S₄负载 Au₂₅原子团簇复合光催化材料，并在国际期刊《Advanced Materials》刊发完整研究成果。团队借助 Au₂₅团簇自带的量子修正等离激元效应，依靠尺寸效应与带间跃迁在材料表面构建缺电子 Auδ⁺活性位点，以此调控催化剂与水分子之间的界面吸附作用。各类表征测试证实，Auδ⁺位点能够提升 Au-O 吸附物种反键轨道占据比例，同步打通多条电子传输通道，加速水分子活化并削弱 H-O 化学键结合强度。性能测试数据显示，该复合催化剂无需外加助催化剂，光照条件下氢气、氧气生成速率分别达到 1.07 mmol・h⁻¹、0.54 mmol・h⁻¹，彻底解决普通金纳米颗粒改性材料仅能产氢、无法同步产氧的技术缺陷。研究配套开展 FDTD 光学模拟、原位谱学表征与理论电荷计算，对比 Au 纳米颗粒与 Au₂₅团簇两种修饰体系的电荷分离、界面电子转移差异，完整阐明量子修正等离激元推动全解水反应的微观作用路径，为原子精确团簇光催化体系提供全新设计思路。

本研究成功构建 ZIS-Au₂₅原子团簇复合光催化体系，依靠 Au₂₅带来的量子修正等离激元效应，实现无助催化剂辅助的可见光驱动全解水反应，打破传统金基等离激元催化剂仅能完成水产氢半反应的固有局限。Au₂₅离散化电子能带可与 ZnIn₂S₄基底形成稳定分子异质结，引导光生电子从团簇定向流向半导体纳米片，与等离激元热电子传输方向协同，大幅提升光生载流子利用效率。材料表面缺电子 Auδ⁺位点可和水分子形成稳定 Au-O 键，搭配基底边缘硫原子与水分子生成的 S-H 键，两种吸附作用协同降低水分解反应能垒，稳定驱动氢气、氧气同步析出。该工作从原子尺度揭示量子修正等离激元调控界面吸附与催化动力学的完整机制，弥补了该效应在全解水领域的实验研究空白。相关设计思路可拓展至其他原子精确金属团簇改性半导体催化体系，为太阳能向化学燃料高效转化提供可行技术方案，对低成本、高活性绿氢制备光催化剂的开发具备重要参考价值。

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