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近日，云南大學材料與能源學院、云南省微納米材料與技術重點實驗室柳清菊教授團隊在光催化分解水制氫（PHE）研究中取得新進展，研究論文“Insights into synergistic effect of Pd single atoms and sub-nanoclusters on TiO2for enhanced photocatalytic H2 evolution”發表在國際學術期刊Chemical Engineering Journal（2022，https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137873，IF=16.744）上。云南大學為第一作者單位，云南大學材料與能源學院博士研究生呂天平和肖斌為共同第一作者，柳清菊教授和張裕敏副研究員為共同通訊作者。
利用太陽能光催化分解水產氫是解決當今全球能源危機和環境污染問題的有效途徑之一，研究團隊在前期工作（Nature Communications 2022，13，58）的基礎上，設計并合成出Pd單原子/原子團簇作為MIL-125 MOF結構衍生TiO2的助催化劑（圖1），發現采用該結構為助催化劑的Pd0.75/TiO2光催化劑的產氫性能優異，其產氫率是TiO2的15倍。團隊系統研究并揭示了Pd單原子/原子團簇之間的協同作用機制及對光解水制氫性能的影響，結果表明Pd單原子和原子團簇的協同作用可以優化其d帶中心（εd），顯著平衡了Pd0.75/TiO2光催化劑在PHE反應過程中中間產物H*的化學吸附與解吸（氫吸附自由能（ΔGH*）更接近于0）；同時，Pd原子團簇能有效地促進Pd單原子上的電子遷移，大幅提高了Pd0.75/TiO2上光生電子和空穴的分離率，從而有效提高其PHE活性（圖2）。該研究對高效光催化劑的設計和研發提供了新思路。
本項研究得到國家自然科學基金（No.51562038），云嶺學者項目和云南省基礎應用研究項目（No. 202101AT070013）的支持。
圖1. （a）Pd/TiO2光催化劑的合成示意圖，（b-e）Pd0.75/TiO2的HAADF-STEM譜圖。
圖2. （a-b）光催化劑的PHE效率；（c）Pd0.75/TiO2的循環穩定性；（d-f）理論分析結果。
