第一作者：张一航

通讯作者：龚建宇 教授

论文信息：DOI:10.1002/advs.202413379

论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202413379

近日，我院龚建宇老师课题组在Advanced Science上发表了题为“Revealing the Principle of Progressively Enhanced Photocatalytic Reactivity in Dual Single-Atoms-Mediated Electronic Interactions Optimization of Cd/Te-TiO₂”的研究论文。该研究创新性地解决了单原子光催化领域长期存在的活性衰减难题，为高效光催化剂系统的设计提供了全新思路。

传统单原子光催化剂在连续光氧化过程中普遍存在结构不稳定和活性位点失活等问题，严重制约其实际应用。本研究突破性地发现Cd/Te-TiO₂双单原子催化剂在可见光条件下呈现出独特的“渐进增强效应”：随着光催化循环次数增加，活性位点数量持续增长，催化性能呈现逐级提升特征，体现出对气态甲苯分子矿化效率递增的治理效果。实验结合DFT理论计算揭示了氧介导双金属原子催化机制，阐明了一种独特地氧配位Cd与Te单原子间的电子相互作用，创新性地构建了“氧桥联双单原子”结构模型。

载流子动力学表征证实，双金属Cd-Te单原子位点随光照的进行逐渐增多，显著促进电荷载流子动力学过程。时间分辨光致发光光谱与开尔文探针力显微镜分析则表明，原子级分散Cd-Te位点的持续增加有效驱动电子转移，实现长效电荷分离，提升了TiO₂的内建电场强度。随着Cd/Te单原子数量的增加，光催化活性的逐步提升可体现在苯甲酸中间体开环反应的吉布斯自由能强度变化：在Cd₃Te₃@TiO₂上，C₆H₅COOH开环反应的能垒为0.96 eV，低于Cd₁Te₁@TiO₂（1.10 eV）和TiO₂（1.56 eV）。此外，Cd₃Te₃@TiO₂ 上HOOCOHC₆H₅OH终态的形成自由能（0.36 eV）也表现出比Cd₁Te₁@TiO₂（0.41 eV）和TiO₂（0.63 eV）更低的趋势。由此可见，随着Cd/Te单原子数量增加，电荷富集的Cd/Te位点更有利于稳定HOOCOHC₆H₅OH中间体。此外，Bader电荷及电荷差分密度分析表明，原位生长的Cd/Te原子位点作为活性中心，显著促进了从TiO₂载体向Cd/Te位点的动态电子转移。

本研究不仅阐明了双单原子协同催化作用的微观机制，更为设计具有自增强特性的智能光催化剂开辟了新方向，对大气污染治理和新能源开发具有重要科学价值。