光催化，地大「国家杰青」，新发Nature子刊！

学术 2025-01-27 00:01 上海

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研究背景

光催化产氢作为一种清洁能源转换技术，在环境保护和能源储存方面具有重要意义。为了提高产氢速率，优化催化剂的电子结构，特别是通过精确调节氢吸附/解吸的动力学仍是一个关键挑战。尽管已有的研究通过金属元素的选择和表面修饰来调节催化性能，但对电子结构的精确调控，特别是d-p轨道之间的相互作用调节，仍然没有足够深入的研究。

成果简介

基于此，中国地质大学余家国教授、余火根教授等人研究提出了一种精确调节d-p杂化的策略，通过改变Ni-B_x助催化剂中Ni_3d轨道与B_2p轨道之间的相互作用，调节Ni活性位点的电子结构来优化氢吸附和解吸动力学，从而提高光催化性能。该研究以“Fine-tuning d-p hybridization in Ni-B_x cocatalyst for enhanced photocatalytic H₂ production”为题，发表在《Nature Communications》期刊上。

作者简介

余家国，中国地质大学（武汉）教授、欧洲科学院外籍院士、国家杰出青年基金获得者。主要从事半导体光催化材料、光催化分解水产氢、CO₂还原、污染物降解、室内空气净化、染料敏化和钙钛矿太阳能电池、电催化、电化学能源存储、吸附等方面的研究工作，发表SCI论文600余篇，多篇研究论文发表在多种国际刊物上，如：Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Nature Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Joule、Chem等。

余火根，中国地质大学（武汉）材料与化学学院教授、博士生导师、国务院政府特殊津贴专家、“国家百千万人才工程”入选者，获“有突出贡献中青年专家”、“教育部新世纪优秀人才”、“武汉市优秀青年科技工作者”等称号。主要从事光催化环境净化、光催化分解水制氢等研究工作。获国家自然科学二等奖1项（排名第二）、湖北省自然科学一等奖1项（排名第二）和湖北省技术发明二等奖1项（排名第二）。

研究亮点

1、创新的d-p杂化调控策略：研究通过精确调节Ni-B_x共催化剂中的d-p轨道杂化，优化了Ni活性位点的电子结构。这一创新方法有效改变了Ni的d带宽度和d带中心位置，进而优化了氢吸附和解吸动力学，从而提高了光催化产氢效率。

2、高效的产氢性能：通过调节Ni-B_x助催化剂中的B含量，能够增强Ni与B之间的d-p轨道相互作用，从而实现d带的拓宽和d带中心的可控调节。光催化产氢效率达到了13.4 mmol g^-1 h^-1，相比纯CdS和Ni/CdS催化剂分别提高了29.1倍和5.6倍。

3、新颖的催化剂设计理念：通过调节Ni-B_x共催化剂的电子结构，为光催化产氢提供了新的设计思路。特别是通过d-p杂化效应的精确调节，展现了调节催化剂电子结构的巨大潜力，为可持续能源技术的发展提供了重要参考。

图1 精细调节Ni–Bx助催化剂中的d–p杂化以优化H_ads/H_des动力学

图1展示了Ni-B_x助催化剂中Ni_3d和B_2p轨道之间的d-p轨道相互作用。硼原子具有缺电子的特性，能与过渡金属原子形成类金属键。为了优化Ni活性位点的氢吸附（H_ads）和解吸（H_des）动力学，本研究采用了连续的d–p杂化策略。通过改变Ni和B的比例，能够有效地扩展Ni的d带宽度，调整d带中心，弱化Ni–H_ad键的强度，从而促进氢的解吸，进而提升产氢性能。

图2 合成策略与形貌表征

图2展示了Ni-B_x/CdS的合成过程与其形态结构特征，表明通过光诱导自催化方法成功将Ni-B_x纳米颗粒沉积到CdS表面，形成具有催化活性的Ni-B_x/CdS光催化剂。通过透射电子显微镜（TEM）观察，Ni-B_x纳米颗粒（尺寸约为5-10 nm）均匀地分布在CdS表面。能量色散X射线谱（EDS）图进一步验证了Ni和B元素在CdS表面上的均匀分布，证明了Ni-B_x纳米颗粒的成功形成。

图3 光催化产氢性能

图3展示了不同样品的光催化产氢活性。随着B元素引入Ni催化剂，氢气生成速率显著增加，尤其是Ni-B_x/CdS-50，达到了13.4 mmol g⁻¹ h⁻¹，是CdS的29.1倍，Ni/CdS的5.6倍，表明B元素的引入有效提升了光催化性能。Ni-B_x/CdS在多个循环中都能保持较高的产氢活性，表明其具有较好的稳定性和可持续性。在模拟太阳光照射下，Ni-B_x/CdS表面生成了明显的氢气泡，显示出其高效的产氢性能，进一步证明了该催化剂的优异性。

图4 精细调节Ni-B_x中的d–p杂化以实现连续的Ni d带扩展

图4展示了通过精细调节Ni-B_x催化剂中的d-p杂化效应，成功扩展了Ni的d带并调节了d带中心位置，优化了Ni的电子结构，从而提升其催化性能。随着B掺入量的增加，Ni的K边吸收峰逐渐正偏移，表明Ni与B之间的电子相互作用增强。当B/Ni比值增加时，Ni的d带中心逐渐下移，从-1.4 eV下降到-4.0 eV。这种下移对催化性能的提升具有重要影响。

图5 Ni-B_x助催化剂中精确优化的氢吸附/解吸动力学

图5展示了Ni和Ni-B_x在DFT计算下的优化表面结构。通过调节Ni的d带结构，优化了氢分子在Ni表面的吸附和解吸过程。随着B的掺入，Ni的d带逐渐扩展，导致Ni与氢之间的键合强度减弱，促进了氢的解吸。通过d-p杂化效应，B的引入精确调节了Ni的电子结构，优化了Ni的氢吸附/解吸动力学，从而显著提高了Ni-B_x/CdS催化剂的光催化产氢效率。

图6 光生电子转移机制与动力学

图6展示了Ni-B_x/CdS光催化剂中光生电子转移机制与动力学。相较于CdS， Ni-B_x/CdS样品的ESA和SE信号明显减弱，表明电子可以有效地从CdS转移到Ni-B_x催化剂，从而减少了CdS中光生电子的重组。Ni-B_x/CdS光催化剂有效促进了光生电子的转移，显著提高了电子转移效率，从而提升了光催化产氢效率。这一高效的电子转移机制对于光催化剂的性能提升具有重要意义。

总结展望

这项工作通过创新的d-p杂化调节策略，优化了Ni-B_x助催化剂的电子结构，从而显著提高了光催化产氢效率。B的引入不仅改善了Ni的催化活性，还通过电子结构的调节优化了光催化反应中的氢吸附与解吸动力学。这为未来设计高效光催化剂提供了重要的指导和新的思路。

文献信息

Fine-tuning d-p hybridization in Ni-B_x cocatalyst for enhanced photocatalytic H₂ production. Nature Communications.

https://doi.org/10.1038/s41467-025-56306-x

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