第一作者：李华星、李荣洁、李恒
通讯作者：刘刚、陈雪波、郑黎荣、齐笑迎
DOI：10.1016/j.apcatb.2026.126534
本研究将单原子催化剂与肖特基结相结合，通过球磨和光还原法，在2D/2D Ti₃C₂/g-C₃N₄肖特基结上成功锚定原子级分散的Rh单原子。Rh单原子不仅作为高效电子传输通道，还使配位N和O原子的p带中心下移，优化氢吸附吉布斯自由能，从而实现可见光下高效光催化产氢。
2026年2月，Applied Catalysis B: Environment and Energy在线发表国家纳米科学中心等单位研究团队在光催化制氢领域的最新研究成果。单原子Rh修饰Ti₃C₂/g-C₃N₄肖特基结光催化剂在可见光下实现1195.5 µmol h⁻¹ g⁻¹的产氢速率。
石墨相氮化碳（g-C₃N₄）具有高稳定性、无毒和可见光响应等优点，是重要的光催化产氢半导体材料；但其低电导率和缓慢表面反应动力学制约了效率。构建肖特基结可促进电荷分离，而进一步加速电荷转移动力学并优化活性位点本征反应速率，仍是提升整体性能的关键。
该研究使用伟德源自英国1946Microsolar300氙灯光源开展可见光驱动的光催化产氢实验。稳定、可控的辐照条件有助于获得可重复的催化评价数据。
先将块体g-C₃N₄处理为超薄纳米片，再与Ti₃C₂纳米片经球磨混合构筑2D/2D异质界面，最后在可见光下将Rh单原子光还原沉积至Ti₃C₂/CN表面。HAADF-STEM显示大量均匀分散的孤立Rh单原子，EDX元素面分布证明三元复合结构成功构建。
Rh K边XANES与FT-EXAFS证实Rh呈部分氧化正价态，并以Rh—N₄和Rh—O₃构型原子级分散。XPS揭示电子从CN自发转移至Ti₃C₂，是肖特基结形成的典型特征。
原位光照XPS表明光生电子被驱动至Ti₃C₂。DMPO-·O₂⁻ EPR显示肖特基结和Rh单原子协同提升电荷分离效率。UV-Vis漫反射显示吸收边红移至466 nm，对应带隙2.66 eV；DFT计算与电荷密度差进一步支持肖特基势垒抑制电子回流。
0.25-Rh/TCCN-3产氢速率达到1195.5 µmol h⁻¹ g⁻¹，分别为纯CN的102倍和TCCN-3的11倍。16 h循环后活性无明显衰减；瞬态光电流、EIS和PL共同证明其具有更优的电荷分离效率和更低的载流子复合率。
TCCN-3出现约33.5 ps的界面电子转移过程；0.25-Rh/TCCN-3进一步出现1.9 ps超快过程，可归属为电子从肖特基结注入Rh单原子的迁移。Rh单原子如“电子泵”高效抽取并转移电荷。
Rh在CN(001)面以Rh—N₄构型配位。Rh修饰后，配位N的p带中心由−5.34 eV下移至−6.60 eV，使N位点的ΔGH*由−1.39 eV优化至−0.46 eV，降低反应能垒。
Rh以Rh—O₃构型配位，配位O的p带中心由−3.72 eV下移至−4.35 eV，并使ΔGH*由−0.52 eV优化至−0.04 eV，接近理想值。可见光激发CN后，电子在内建电场驱动下向Ti₃C₂迁移，再经Rh—O₃和Rh—N₄通道超快注入Rh位点还原质子生成H₂。
本工作构筑单原子Rh修饰的Ti₃C₂/g-C₃N₄肖特基结光催化剂，产氢速率为纯g-C₃N₄的102倍。肖特基结提供电荷分离驱动力，Rh—N₄/Rh—O₃配位构型构建快速电子通道，Rh单原子同时调控活性位点p带中心和反应中间体吸脱附行为，为人工光合体系设计提供新思路。
刘刚研究员，主要研究分级结构纳米复合材料、二维层状材料、金属纳米粒子与单原子，以及光催化制氢、CO₂光还原和环境有机污染物的吸附与降解。
Huaxing Li, Rongjie Li, Heng Li, Xidong Zhang, Jiaguo Yu, Gang Liu, Lirong Zheng, Xiaoying Qi, Xuebo Chen. Single Rh atoms on Ti₃C₂/g-C₃N₄ Schottky junction: Downshifting p-band centers and accelerating charge dynamics for enhanced photocatalytic H₂ evolution. Applied Catalysis B: Environment and Energy, 2026, 388, 126534.
