在非均相光催化中，通过增加活性组分(如活性金属)的表面原子比可以直接提高催化效率。从理论上讲，通过将金属活性组分缩小到单个原子，可以将表面活性金属中心在多相催化剂上的利用率提高到100%。
与传统热催化反应中使用的催化剂相比，光催化剂表面原子分散的活性中心可以有效地增强载体的分离，并提供明确的析氢中心。缺陷工程是通过对催化剂表面进行原子尺度剪裁来提高光催化性能的另一个关键策略，它扩大了光吸收范围，促进了电荷载流子动力学并增加了活性中心。并且，这些缺陷位点已被证明是单原子的理想锚定点。
此外，过渡金属作为优良的助催化剂或单原子中心，在增强单相催化剂方面同样表现出突出的性能。因此，利用具有缺陷的半导体前体来锚定过渡金属单原子是提高光催化性能的一种可行的方法。
近日，湖南大学马驰和张长等合成了含有Cd缺陷的硫化镉(DCdS)，并利用Co单原子作为共催化剂，实现了光化学过程中高效的HER。实验结果和理论计算表明，所得的Co5: DCdS光催化剂上Cd空位和Co单原子中心之间存在较强的协同效应。DCdS上Co单原子的锚定加深了Cd空位附近双配位S原子的不对称电荷分布，这些活跃的离域电子有助于加速H2O的解离，降低了Volmer步骤的能垒；电荷的重分布使得锚定在Cd空位上的Co位点优化了H*的吸附能，进而加速了H2的形成。
性能测试结果显示，在可见光照下Co5: DCdS光催化剂的H2生产速率高达60.10 mmol g-1 h-1，在500 nm处的表观量子产率(AQY)为56.7%；在模拟太阳光照射下Co5: DCdS的太阳能-化学能转换效率(SCC)和周转数(TON)分别达到6.26%和1143 (12小时)。此外，在循环实验和长期稳定性实验中，Co5: DCdS的HER活性略有下降，这是由于光腐蚀改变了原来的S配位状态。同时，电感耦合等离子体(ICP)测处反应后溶液体系中仅有微量的游离Cd2+离子，表明Co单原子和Cd缺陷可以有效地缓解催化剂光腐蚀。总的来说，该项研究提高了对表面缺陷与金属单原子协同作用机制的认识，为光催化领域中先进材料的开发提供了理论依据。
In-situ anchoring of Co single-atom synergistically with Cd vacancy of cadmium sulfide for boosting asymmetric charge distribution and photocatalytic hydrogen evolution. Advanced Materials, 2024. DOI: 10.1002/adma.202409832
