太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的光催化水分解產(chǎn)氫是一種生產(chǎn)綠色能源的有效策略。然而，到目前為止，在沒(méi)有任何犧牲劑的情況下合理構(gòu)建光催化析H2系統(tǒng)是一個(gè)至關(guān)重要但仍具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。先前的光譜學(xué)研究表明，空穴轉(zhuǎn)移到電子供體是實(shí)現(xiàn)有效H2生成的關(guān)鍵速率限制步驟，因此，探索具有超快空穴捕獲能力的合適而有效的界面，為實(shí)現(xiàn)有效的H2生成提供了可能性。
基于此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)姚濤、劉瀟康和丁韜等通過(guò)氧浸漬方法，成功地合成了g-C3N4負(fù)載的非晶Ru-RuOx雜化結(jié)構(gòu)(RRCN)，其中非晶Ru和RuOx物種在原子尺度上均勻地混合在具有多異質(zhì)界面的納米顆粒中。
研究人員利用原位X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(XAFS)和X射線光電子能譜(XPS)深度剖面技術(shù)，在原子水平上精確地跟蹤和識(shí)別均勻Ru-RuOx異質(zhì)界面的逐漸形成。此外，時(shí)間分辨光致發(fā)光(PL)和超快瞬態(tài)吸收(TA)光譜表明，得益于豐富的界面，非晶態(tài)RuOx位點(diǎn)在<100 fs的超快過(guò)程中能夠固有地捕獲光生空穴，而非晶態(tài)Ru位點(diǎn)能夠達(dá)到1.73 ps的有效電子轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致長(zhǎng)的電荷分離反應(yīng)狀態(tài)。
光催化析氫性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在AM 1.5 G光輻照下，以15%的TEOA為犧牲劑，RRCN光催化劑的析氫速率為380.2 μmol h?1，比純的C3N4(1.8 μmol h?1)高出約200倍；在無(wú)犧牲劑和助催化劑的情況下，RRCN的析氫速率也高達(dá)60.8 μmol h?1。在光催化實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究人員推斷Ru-RuOx中的Ru組分作為H2析出的活性中心，而RuOx作為空穴捕獲劑。此外，研究人員還在相同條件下進(jìn)行了改性Ru納米晶粒子的對(duì)照實(shí)驗(yàn)。
結(jié)果表明，與晶體Ru納米晶不同，非晶Ru納米粒子具有獨(dú)特的無(wú)序原子結(jié)構(gòu)，賦予了它們高度的化學(xué)均勻性、豐富的缺陷和不飽和配位，從而獲得了較好的光催化H2析出活性。綜上，該項(xiàng)工作不僅提供了一個(gè)基于具有超快捕獲空穴能力的非晶Ru-RuOx雜化結(jié)構(gòu)的高效人工光合作用體系，而且為合理設(shè)計(jì)基于結(jié)構(gòu)演變的非晶非均相催化劑提供了指導(dǎo)。
In Situ Constructing Atomic Interface in Ruthenium-based Amorphous Hybrid-structure towards Solar Hydrogen Evolution. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-37451-7
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