第一作者：李荣洁、李恒
通讯作者：刘刚、齐笑迎、郑黎荣、陈雪波
DOI：10.1002/adfm.74535
本工作揭示了Ru-Cd1-xS/Ti3C2Tx光催化剂中Ru单原子与次近邻Cd空位间的协同机制。该机制通过双重路径提升光催化析氢性能：(i) 优化了临近Ru单原子的S位点上的H和H2吸附；(ii) 形成的界面Ru–O原子桥显著增强异质结电场强度并加速界面电荷传输，从而获得了48.58 mmol h⁻¹ g⁻¹的高效光催化析氢性能。
2026年2月，Advanced Functional Materials杂志在线发表了北京师范大学陈雪波教授团队在光催化析氢领域的最新研究成果。该工作报道了钌单原子与第二壳层阳离子空位的表界面协同光催化析氢研究。论文共同第一作者为：李荣洁、李恒，论文共同通讯作者为：国家纳米科学中心 刘刚研究员、国家纳米科学中心 齐笑迎高级工程师、中国科学院高能物理研究所 郑黎荣副研究员、北京师范大学 陈雪波教授。
太阳能光催化析氢是可持续能源转化的重要路径。单原子催化剂凭借近100%原子利用率及可调的电子结构，成为降低贵金属助催化剂用量的有效策略。进一步在金属单原子近邻处引入空位等缺陷，可显著调节其电子结构与催化活性。二维MXene材料因优异的金属导电性和可调表面官能团，在助催化领域潜力突出。本文系统研究了位于表/界面的缺陷配位的单原子结构在光催化析氢体系中的作用机制，为高效光催化剂的设计提供参考。
图表解析
基于第一性原理DFT计算，通过表面氢吸附吉布斯自由能与电子态密度分析，揭示了Ru单原子与Cd空位协同调制表面电子结构。
图1. DFT理论计算—表面
基于第一性原理DFT计算，通过功函数、差分电荷密度、Bader电荷分析揭示了Ru单原子与Cd空位协同增强界面肖特基电场。
图2. DFT理论计算—界面
通过两步合成法可控制备Ru-Cd1-xS/Ti3C2Tx光催化剂，其中Ru单原子在CdS表面呈原子分散。
图3. 合成示意图与显微表征
Ru-Cd1-xS/Ti3C2Tx光催化剂的晶体结构、化学结构和电子结构。
图4. 结构表征
最优的Ru0.1-Cd1-xS/Ti3C2Tx-1.5在可见光照下的光催化析氢速率为48.58 mmol g⁻¹ h⁻¹ ，是纯CdS的45.4倍。
图5. 光催化析氢性能测试、能带结构、原位辐照EPR和XPS表征
界面Ru-O键驱动的快速电子转移通道显著提高了光生电荷分离效率。
图6. 飞秒瞬态吸收光谱图
提出了Ru单原子与第二壳层Cd空位在表/界面的协同光催化析氢机理。
图7. Ru-Cd1-xS/Ti3C2Tx对可见光驱动析氢的光催化机理
本研究阐明了表面金属单原子、明确的阳离子空位、界面共价键之间产生“1+1+1>3”的协同增强机制，为先进（光）催化体系在能源和化学转化等应用领域中的理性设计提供见解。
R.Li, H.Li, H.Li, et al. Orchestrating Single Ru Atoms and Second-Shell Cation Vacancies in CdS Interfaced With Ti3C2Tx MXene for Boosting Photocatalytic Hydrogen Evolution.
Advanced Functional Materials (2026): e74535.
https://doi.org/10.1002/adfm.74535
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