【DFT+实验】KAUST 张华彬Angew：单原子高价态Mo“陷阱”捕获电子诱导电荷聚集促进光催化产氢

随着温室气体二氧化碳的排放，地球的环境问题日益严峻，威胁了人类的生存和发展。随着国家双碳战略的提出，我们迫切需要发展新型能源材料及技术。

其中，氢能是一种清洁、高效、安全、可持续的绿色能源。利用太阳能分解水制氢可将太阳能转化并储存为化学能，被视为解决环境污染及开发新型能源等问题的理想方式之一。

在诸多光催化剂中，构造具有明确活性位点的单原子光催化剂，可以有效从原子尺度上精确探索其结构与功能的构效关系，进一步提升原子利用率、增强能量转换效率。

在半导体材料中构造光生电子的特定转移路线，植入电子陷阱，避免其余载流子重组，可以有效的增强电子-空穴分离动力学、增强光催化性能。具有明确活性位点的单原子光催化剂，可以提供一个良好的研究平台，有望实现精确构造原子尺度电子陷阱，加速光生电子转移，监测其在光催化反应动力学中的作用机制。

近日，阿卜杜拉国王科技大学的张华彬教授、Magnus Rueping教授等人，将高氧化态的Mo原子作为电子陷阱，以单原子形式植入Cd_0.5Zn_0.5S晶格中，结合瞬态吸收光谱及第一性原理计算，表征了Mo原子的电荷聚集效应加快了光生电子的转移，有效抑制电子-空穴复合，增强了光催化析氢效率。

通过HRTEM等表征了高分散的Mo原子位点成功的植入Cd_0.5Zn_0.5S（CZS）晶格中，且CZS@Mo保持并具有高的比表面积，有利于在催化过程中暴露活性位点参与反应。

通过EXAFS、XPS证实了单原子的Mo在CZS中的晶格畸变及电子转移，并确定了高价态的Mo(+4.15)物种的存在。由于Mo物种的高价态，其对体相光生电子产生的固有且强大的吸引力，起到一个电子泵的作用。UV-vis和EPR光谱揭示了Mo原子的修饰降低了CZS的带隙并可以成功捕获光生电子，增强CZS@Mo中自由基数量。