氫能作為清潔能源的重要代表，因其燃燒產(chǎn)物僅為水且能量密度高，被視為推動能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵方向。在眾多制氫技術(shù)中，利用太陽能驅(qū)動水分解的光催化制氫技術(shù)因其綠色可持續(xù)特性備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)光催化體系依賴的鉑（Pt）基催化劑因資源稀缺、成本高昂，嚴(yán)重制約了該技術(shù)的工業(yè)化進(jìn)程。

中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)近日在《德國應(yīng)用化學(xué)》發(fā)表突破性成果，通過構(gòu)建共價有機(jī)框架（COF）材料的氮原子位移工程，成功實(shí)現(xiàn)了鉑催化劑形態(tài)的精準(zhǔn)調(diào)控。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同但氮錨定位點(diǎn)差異顯著的COF異構(gòu)體，這些材料具有規(guī)則的六方孔道結(jié)構(gòu)，氮原子位置沿孔道徑向?qū)崿F(xiàn)了埃米級精度的梯度分布。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同氮錨定位點(diǎn)對鉑物種的沉積形態(tài)產(chǎn)生決定性影響。在亞胺連接的COF-I2材料中，鉑以單原子與團(tuán)簇共存的獨(dú)特雙活性位點(diǎn)形式存在，而烯烴連接的COF-A2則主要形成單原子鉑。這種結(jié)構(gòu)差異直接導(dǎo)致光催化性能的顯著差異：COF-I2負(fù)載鉑后的析氫速率達(dá)到26.72 mmol h?1g?1，是COF-A2體系的6.1倍。

機(jī)理研究表明，這種性能躍升源于鉑團(tuán)簇與單原子間的協(xié)同作用。密度泛函理論計(jì)算顯示，鉑團(tuán)簇作為空穴接力中心，單原子作為電子捕獲位點(diǎn)，二者形成的電荷重新分布網(wǎng)絡(luò)顯著促進(jìn)了光生載流子的分離效率。飛秒瞬態(tài)吸收光譜進(jìn)一步證實(shí)，COF-I2-Pt體系中關(guān)鍵電荷分離態(tài)的壽命延長是其高效析氫的核心機(jī)制。

該研究通過構(gòu)象異構(gòu)策略，在保持材料化學(xué)組成不變的前提下，實(shí)現(xiàn)了對載體錨定位點(diǎn)幾何結(jié)構(gòu)的原子級調(diào)控。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)不僅將鉑的催化效率提升至新高度，更通過減少貴金屬用量顯著降低了制氫成本。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，優(yōu)化后的催化劑體系在鉑負(fù)載量降低的情況下，仍保持了優(yōu)異的催化活性，為解決光催化制氫技術(shù)的成本瓶頸提供了重要解決方案。

這項(xiàng)突破性成果通過材料基因工程思路，為設(shè)計(jì)高效光催化劑開辟了新路徑。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的氮原子位移工程策略，可推廣至其他貴金屬催化劑體系，為構(gòu)建低成本、高穩(wěn)定性的太陽能制氫系統(tǒng)奠定了理論基礎(chǔ)。相關(guān)技術(shù)若實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，將大幅降低清潔氫能的生產(chǎn)成本，加速氫能經(jīng)濟(jì)時代的到來。