将Cu单原子催化剂担载于TiO₂表面能够实现优异的光催化制氢。但是人们对于其机理并未得到一致意见。特别是对于Cu单原子位点如何实现提高催化活性，动态变化的Cu化学价态，Cu原子与H₂O分子轨道的杂化，催化剂颜色的变化。

有鉴于此，西安交通大学刘茂昌、南加利福尼亚大学Oleg V. Prezhdo等通过从头算量子动力学进行模拟计算，以TiO₂(101)晶面作为模型，研究Cu单原子产生优异催化活性的原因。

主要内容

（1）

研究结果说明Cu单原子位点的优异性能来自于吸附H₂O分子导致Cu形成类似平面配位结构，从而能够捕获光生热电子，并且将热电子注入Cu和H₂O的杂化轨道。

（2）

实验中观测发现的颜色改变是由于H₂O分子解离释放的氢原子以及吸附在Cu单原子相邻的晶格氧原子。吸附的氢原子导致Cu单原子形成催化惰性态，而非形成催化活性态。

这项研究工作阐明了原子的局部配位结构与优异光催化活性之间的关系，从原子尺度解释了单原子光催化剂的结构变化。

参考文献

Yiwei Fu, Kejian Lu, Anlan Hu, Jie Huang, Liejin Guo, Jian Zhou, Jin Zhao, Oleg V. Prezhdo*, and Maochang Liu*, d_z² Band Links Frontier Orbitals and Charge Carrier Dynamics of Single-Atom Cocatalyst-Aided Photocatalytic H₂ Production, J. Am. Chem. Soc. 2023

DOI: 10.1021/jacs.3c10661

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c10661