【DFT+实验】山东大学Nano Lett. | Ru单原子激活赤铁矿光阳极高效酸性光电催化析氧性能

英文原题：Efficient Acidic Photoelectrochemical Water Splitting Enabled by Ru Single Atoms Anchored on Hematite Photoanodes

通讯作者：王建军，刘宏，徐明霞，宋克鹏（山东大学）

作者：Tian-Tian Li (李天天), Jun-Yuan Cui, Mingxia Xu (徐明霞)*, Kepeng Song (宋克鹏)*, Zhao-Hua Yin, Chao Meng, Hong Liu (刘宏)*, Jian-Jun Wang (王建军)*

由于在酸性条件下长期水裂解制氢的候选材料极其有限，在酸性条件下开发高活性和稳定的光阳极仍然是一个重大挑战。为了克服稳定性和低反应动力学的挑战，基于贵金属的催化剂，特别是基于 Ru 和 Ir 氧化物及合金的催化剂，由于其催化活性高且在苛刻的酸性环境中具有显著的稳定性，经常被用于析氧反应。然而，这些贵金属基材料数量有限且成本高昂，阻碍了它们的广泛应用。单原子催化剂的特点是通过孤立的金属原子将活性位点完全暴露出来，从而提高金属利用率并增加了活性表面积。完全分散的金属原子与载体材料之间的强相互作用赋予了单原子催化剂独特的电子结构，从而实现了反应界面的优化。

近日，山东大学王建军教授、刘宏教授、徐明霞副教授、宋克鹏研究员等在Nano Letters 上发表了锚定Ru单原子的赤铁矿光阳极实现高效酸性光电化学水分离的研究。通过简单的浸渍-退火方法，在赤铁矿表面负载了均匀分散的Ru单原子 (Fe₂O₃-Ru)。在酸性电解液 (pH=1) 及1.23V_RHE 条件下，Fe₂O₃-Ru光阳极的光电流密度达到 1.42 mA cm^-2，比 Fe₂O₃ 高出2.45倍，优于之前报道的赤铁矿基光阳极在酸性介质中的光电流密度。全面的实验和理论研究揭示了Ru修饰光阳极优越活性的机制。单个Ru原子的存在对改善水氧化反应动力学起着至关重要的作用。它可以延长载流子寿命，促进光生载流子的有效分离和转移。理论计算进一步支持了这些发现，表明负载的Ru单原子降低了速率决定步骤的能量势垒，并在赤铁矿带隙内产生额外的能级，作为电子和空穴陷阱，有效地促进了光生电子-空穴对的分离，最终提高了Fe₂O₃-Ru光阳极的反应活性。

【DFT+实验】山东大学Nano Lett. | Ru单原子激活赤铁矿光阳极高效酸性光电催化析氧性能

图1. 单原子修饰赤铁矿的结构形貌表征

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图2. 光电化学水氧化性能测试

【DFT+实验】山东大学Nano Lett. | Ru单原子激活赤铁矿光阳极高效酸性光电催化析氧性能

图3. 理论计算

这些结果突出了单原子工程在光阳极中的重要影响。它促进了有效的电荷分离和转移，改善了水氧化反应动力学，这对开发高效的光电化学制氢系统至关重要。

相关论文发表在Nano Letters 上，山东大学硕士研究生李天天为文章的第一作者，王建军教授、刘宏教授、徐明霞副教授、宋克鹏研究员为通讯作者，研究工作获得了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省高校生物诊疗技术与装备协同创新中心等项目资助。

Efficient Acidic Photoelectrochemical Water Splitting Enabled by Ru Single Atoms Anchored on Hematite Photoanodes

Tian-Tian Li, Jun-Yuan Cui, Mingxia Xu*, Kepeng Song*, Zhao-Hua Yin, Chao Meng, Hong Liu*, and Jian-Jun Wang*

Nano Lett. 2024, 24, 958–965

Publication Date: January 11, 2024

通讯作者信息

王建军，山东大学晶体材料国家重点实验室教授，博导，齐鲁青年学者，山东省优青，中国化学会会员。于中国科学院化学研究所获得博士学位。先后在爱尔兰利莫瑞克大学（UL）、瑞士联邦材料科学与技术研究所（EMPA）、西班牙光子科学研究所（ICFO）从事博士后研究工作。主要从事纳米材料设计、合成、性能调控及其在光/电催化等领域的应用研究。近五年，主持承担山东大学齐鲁青年学者人才项目、国家自然科学基金青年与面上项目、北京分子科学国家研究中心课题、深圳科创委面上项目、山东省自然科学基金优青项目和面上项目等科研项目10余项。近些年，在JACS（5篇）、Nano letters、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Science、Chinese J. Catal.等国际知名期刊上发表SCI收录论文70余篇，授权发明专利16项。其中，部分研究成果被J. Am. Chem. Soc.、Small等期刊选为封面文章发表，并受到Nature China、Materials Views、材料人和能源学人等专业/综合学术媒体的广泛报道。获得中科院优博、中科院院长优秀奖、玛丽居里学者、唐敖庆化学奖、卢嘉锡优秀研究生奖、北京市优秀毕业生等奖励与资助。受邀担任《Molecules》编委、《Materials Letters》客座编辑、《EcoEnergy》和《International Journal of Smart and Nano Materials》首届青年编委、全国研究生教育评估监测专家、“学术桥”评审专家、自然科学基金网评专家等。

刘宏，山东大学晶体材料国家重点实验室，教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。中国硅酸盐学会晶体生长分会理事，中国光学学会材料专业委员会会员理事，中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事。主要研究方向：组织工程与干细胞分化、生物传感与体外诊断、光电材料与纳米能源等。十年来，主持了包括十五、十一五、十二五、863、十三五国家重点研发项目和自然基金重点项目在内的十余项国家级科研项目，取得了重要进展。2004至今，在包括Adv. Mater., Nano Letters，ACS Nano，J. Am. Chem. Soc, Adv. Fun. Mater，Envir. Eng. Sci.等学术期刊上发表SCI文章400余篇，其中，影响因子大于10的超过110篇，个人文章总被引次数超过23000次，H因子为72，40余篇文章被Web of Science的ESI选为高被引用论文，文章入选2013年中国百篇最具影响国际学术论文、2015和2019年度进入英国皇家化学会期刊“Top 1% 高被引中国作者”榜单。2018、2019、2020连续三年被科睿唯安评选为“全球高被引科学家”。应邀在化学顶尖期刊ChemicalSociety Review和材料顶尖期刊Advanced Materials和 Advanced Energy Materials上发表综述性学术论文，在国际上产生重要影响。授权专利40余项，有关生化传感器研究在山东大学进行了千万元成果转让，与企业合作进行产业化生产。2019年获山东省自然科学奖一等奖。

徐明霞，副教授，山东大学晶体材料国家重点实验室，博导，入选山东大学青年学者未来计划。主要从事功能晶体材料制备与性能研究。主持并参与国家重大科技专项、教育部支撑项目、国家自然科学基金及横向项目等多项。近年来主要围绕晶体生长动力学、缺陷表征及理论计算、晶体损伤动力学等方面开展研究。

https://www.x-mol.com/university/faculty/68295

宋克鹏，研究员。本科毕业于山东大学，博士毕业于中国科学院金属研究所，师从电子显微学家叶恒强院士。先后在德国马普学会斯图加特电镜中心，中科院金属所沈阳材料科学国家实验室，和沙特国王科技大学（KAUST)）学习和从事研究工作。2019年12月以入职山东大学，负责筹建山东大学电子显微中心，目前负责电子显微中心的运行。主要研究方向为像差校正透射电子显微学在材料领域的应用，包括定量电子显微学方法，材料表面与界面，电子能量损失谱等。在AM, AEM, PRL, JPCL等期刊发表论文30余篇。

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