通过二电子途径将水分解为H₂和H₂O₂（2H₂O → H₂O₂ + H₂）相比于产物为H₂和O₂的四电子水分解过程（2H₂O → 2H₂ + O₂）具有更广阔的工业应用前景。应力诱导的压电催化是实现水分解产生H₂和H₂O₂的有效途径之一。石墨相氮化碳（CN）相比于传统的无机类压电体具有较强的压电极化和丰富的结构可调性，而体相CN严重的电荷复合，较低的电子传导性和匮乏的活性位点阻碍了其压电催化性能的进一步提升。

针对以上问题，我校材料科学与工程学院博士生胡程在“资源综合利用与环境能源新材料”创新团队黄洪伟教授和张以河教授的指导下，通过一种新颖的原子限域和后还原策略成功将Ag单原子（SAs）和团簇作为多功能位点锚定在CN纳米片上，增强了CN的面内压电极化，同时促进了压电电荷的面外迁移，实现了高效的压电催化H₂和H₂O₂产出。主要创新点如下：

1. 通过超分子自组装法合成了具有单原子Ag位点的CN纳米片，后通过在PH₃气氛中退火制备了具有最优比例的单原子-团簇催化剂，并通过二电子反应路径实现了高效的压电催化H₂和H₂O₂产出。

2. 基于压电力显微镜（PFM）、开尔文探针力显微镜（KPFM）、偶极矩的第一性原理计算（DFT）和有限元仿真（FEM），证实了Ag SAs增强了CN的面内压电极化，Ag团簇提供了与CN之间的强界面电场，共同构建了正交的电荷迁移通道。

3. 利用原位高压紫外-可见光漫反射光谱（HP-DRS）和压电电化学测试，揭示了应力诱导的带隙缩窄引发了更大的压阻效应，进一步提高了载流子的迁移率。

图1. (a) Ag_SA+C-CN制备示意图。 (b) Ag_SA CN和 (c) Ag_SA+C-CN的HAADF-STEM图像。 (d) Ag_SA+C-CN的EDS元素分布。

图2. (a) 超声波照射80分钟后H2和 (b) H2O2的产率 (催化浓度为20 mg/L)。 (c)不同催化剂用量下H2和H2O2的产率 (反应时间为80分钟)。(d) AgSA+C-CN与一些典型压电催化剂的析氢性能比较。

图3. (a) 电流密度-电压曲线, (b) 电化学阻抗谱, (c) 莫特-肖特基曲线以及 (d) 超声波下样品的计算电荷密度 (U)(e) HP-DRS和(f) CN和AgSA+C-CN的带隙变化。(g) 压电催化过程的原理图。

上述研究成果发表于材料化学领域国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上: Cheng Hu, Jingcong Hu, Zijian Zhu, Yue Lu, Shengqi Chu, Tianyi Ma, Yihe Zhang, Hongwei Huang*, Orthogonal Charge Transfer by Precise Positioning of Silver Single Atoms and Clusters on Carbon Nitride for Efficient Piezocatalytic Pure Water Splitting, Angewandte Chemie International Edition, 61 (2022) e202212397. [IF2022=16.6]

全文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202212397