（功能材料研究院 通讯员 刘星辰）近日，湖北文理学院功能材料研究院王松教授团队参与江苏大学毛宝东/颜伟城/施伟东团队&苏州大学康振辉团队的一项科研成果顺利在Nature子刊nature communications发表。

现代催化的发展面临能源与化学品联产、清洁性和可持续性等挑战，同时催化研究的复杂性也日益突出。光催化因其环境友好和绿色特点，被视为实现可持续未来的重要工具。新型催化剂的设计目标是实现多功能集成，将反应底物、反应过程、产物浓缩和分离集成于耦合系统。在光催化领域，关键在于将化学反应、传质和产物分离的知识融入新型光催化剂的设计中，与此同时，纳米反应器内部强大的内建电场驱动力对于反应物与产物的快速扩散和有效分离至关重要。

光催化耦合绿色能源和化学生产是一种有前景的可持续途径，这对催化系统的多功能集成是一个巨大挑战。在这里，我们展示了一种有前景的绿色光催化剂设计，该设计使用Cu-ZnIn₂S₄纳米片和碳点作为构建单元，能够在纳米空间中集成反应、传质和分离功能，如同一个微型的纳米反应器。根据原位光谱和内建电场的计算模拟，由于电荷积累和传质的增强，这种功能集成大大促进了苯甲醇氧化耦联析氢反应动力学，光催化产氢和苯甲醛的生成速率可达到45.95/46.47 mmol g^-1 h^-1，分别为纯ZnIn₂S₄的36.87和36.73倍。苯甲醛的高选择性是通过Cu(II)介导的中间体构象翻转和随后的π-π共轭实现的有效分离来实现的。这项工作展示了用于耦合可持续系统的光催化剂逐步应用于纳米反应器的设计。

图文导读

图1: Cu-ZIS/C-Dots纳米反应器从水和苯甲醇中生产氢气/苯甲醛的概念流程图，具有反应、传质和分离的多功能集成。

图2: a, b Cu-ZIS/C-Dots的TEM和HRTEM图像。c 计算了Cu-ZIS中不同Cu间隙位点的表面能。d ZIS和Cu-ZIS的EPR谱。e Cu-ZIS的优化结构(黄色、灰色、粉色和蓝色球体分别代表S、Zn、In和Cu原子)。f 催化剂中相邻Cu(II)/C-Dots位点的示意图。g ZIS、Cu-ZIS、C-Dot和Cu-ZIS/C-Dots的紫外-可见吸收光谱。h Cu-ZIS/C-Dots的能带结构示意图。

图3: a, b 随时间变化的氢气和苯甲醛生产曲线。c C-Dots、ZIS、Cu-ZIS和Cu-ZIS/C-Dots的光催化产氢和苯甲醛生成速率的比较。d 与吸收光谱相比，Cu-ZIS/C-Dots在单色光下的表观量子效率(AQE)。e ZIS和Cu-ZIS/C-Dots上氢气/苯甲醛生产的循环稳定性。f 与最近报道的代表性光催化剂相比，本研究中Cu-ZIS/C-Dots的析氢速率。

图4：a DFT计算了ZIS和Cu-ZIS的B-IEF的静电势。b ZIS (τ₁)、Cu-ZIS (τ₂)和Cu-ZIS/C-Dots (τ₅)的TPV光谱的电荷衰减常数 (τ)。c 引入ACN和ACN/AA (均含5‰水) 的Cu-ZIS/C-Dots的原位TPV光谱，用于估算电荷分离效率。d在Cu-ZIS/C-Dots上用不同添加剂的TEMPO自旋标记对光生空穴的原位EPR光谱。e Cu-ZIS/C-Dots上苯甲醇裂解形成的DMPO-C_α自由基的EPR光谱测试。

图5：a, b 通过COMSOL Multiphysics模拟的相邻Cu（II）位点和C-Dots上的电场强度和无量纲质子浓度分布。c DFT计算了Cu-ZIS吸附位点上BA到BAD转化的自由能图（插图：吸附在Cu（II）位点上的活性中间体的优化结构，表明伴随着构象演变）。d 有利于BAD分离的翻转构象演化过程示意图。e 耦合系统中随时间变化的反应底物消耗和反应产物生产的曲线。