Angew. Chem.: p区金属单原子光催化剂性能超越过渡金属单原子光催化剂

近十年来，光催化领域对金属单原子催化剂的研究不断深入，高效单原子催化剂展现出显著提升反应速率、选择性和稳定性的潜力。由于d轨道的局域性特征，未配对的d电子或空的d轨道能够吸附反应分子和中间体，进而激活反应物并降低活化能。相比之下，主族金属元素通常因其s和p轨道的离域性而被视为在催化中无活性。离域特性导致s/p轨道与吸附物的价轨道相互作用时，吸附态过宽，造成对吸附物的吸附过强或过弱，可能使活性中心失效或无法激活吸附物，似乎排除了主族金属元素基高效单原子催化剂的可能性。因此，现有研究大多集中在过渡金属基单原子催化剂，忽视了主族金属元素的潜力。尽管已有少数研究报道了几种用于氧还原反应的p区单原子催化剂，但这些研究并未系统探讨元素选择的标准及其优于过渡金属的潜在机制。

近日，澳大利亚昆士兰大学王连洲教授和王志亮博士课题组通过研究，揭示了p区金属单原子催化剂在氧还原生成过氧化氢中的独特性质和催化活性，展现出其相较于非贵金属过渡金属单原子催化剂的巨大潜力。

该研究通过密度泛函理论计算发现一系列p区金属单原子催化剂的光催化活性显著优于过渡金属对照组。原因在于，相比过渡金属单原子催化剂中的p-d杂化，p区金属单原子催化剂中的p-p杂化能够优化*OOH中间体的形成并降低反应能垒。

作者进一步通过实验验证了p区金属单原子催化剂优越性这一规律，其中Sb单原子催化剂表现尤为突出，在400 nm光照下，其表观量子产率达到目前已报道的最高值35.3%，并且具有良好的结构和催化稳定性。

该研究揭示了其性能提升的潜在机制，强调了p-p杂化强度的优化在降低能垒和增强电子供给中的关键作用，从而促进了催化氧还原反应。这一发现为氧还原反应的催化应用提供了重要启示，展现了主族金属，特别是p区金属在催化剂设计中的巨大潜力。

论文信息

Single-Atom Catalysts with p-Block Metals Surpass Transition-Metal Counterparts in the Photocatalytic H₂O₂ Production

Dr. Haijiao Lu, Hanqing Yin, Assoc. Prof. Jeffrey Harmer, Dr. Mu Xiao, Jiakang You, Dr. Peng Chen, Dr. Tongen Lin, Prof. Aijun Du, Zhiliang Wang,

Prof. Lianzhou Wang

文章的第一作者是昆士兰大学的卢海娇博士和昆士兰科技大学的尹汗青博士。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202413769