近日，我校化学化工学院杜虹教授团队在学术期刊《Nature Communications》在线发表了题为“Multiscale electric fields direct charges to single-atom cobalt sites for photocatalytic H₂ production”的学术论文。

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光催化水分解制氢是解决能源危机和实现碳中和的理想途径。共价有机框架（COFs）因高结晶性、可调光电性能和分子级精确结构而备受关注，但其光催化效率受限于激子结合能高导致电荷难以分离，以及活性位点埋藏在体相结构中难以被反应物触及。传统剥离COF为超薄纳米片虽可缩短电荷迁移距离、暴露活性位点，但存在产率低、结构破坏及可扩展性差等问题，且无法形成原子级界面以实现高效电荷转移。单原子催化因高原子利用率和明确活性位点而受到重视，将单原子位点与剥离COF通过共价桥键结合，有望构建从吸光体到催化中心的定向电荷通道。然而，在一锅法中同时实现COF原位剥离、原子级金属锚定及界面电荷通道构建仍具挑战性。受肺泡结构启发，本研究设计了仿生“肺泡－叶片”异质结构：空心硫化钴（Co₃S₄）“肺泡”原位锚定在剥离COF纳米片“叶片”上，形成原子级Co-N/O桥键，并自发产生多尺度电场——界面强电场驱动电荷分离，叶片内电势梯度引导电子定向输送，将光生电子高效输送至单原子Co位点。该催化剂在无贵金属条件下实现534.6 mmol·g⁻¹·h⁻¹的析氢速率，500 nm处表观量子产率达90.2%，刷新COF光催化剂性能标杆。

仿生“层状肺泡”异质结构示意图

图2展示了CT-x异质结构的两步配位导向自组装过程。第一步，将ZIF-67前驱体经溶剂热硫化转化为空心Co₃S₄“CS肺泡”，其表面富含不饱和Co位点，并与TDS配体（3,7－二氨基二苯并噻吩-5,5－二氧化物）上的氨基形成Co-N配位，生成CS-NH₂中间体。第二步，在CS-NH₂存在下加入TP单体（2,4,6-三甲酰基间苯三酚），TDS上的预锚定氨基与TP的醛基发生席夫碱缩合，原位构建TP-TDS COF。该图清晰地展示了从ZIF-67到最终仿生结构的完整演化路径，突出了“一锅法”实现多级结构控制的化学创新。

仿生“层状肺泡”异质材料结构表征与光电性质测试

形貌和结构表征显示，CT-35异质结构在Co-N/O配位作用下，由原本的COF三维网络和CS“肺泡”自发重组为高度有序的万寿菊状超结构，层板厚度显著减薄（约6.4 nm），形成紧密界面，同时单原子Co位点均匀分散于整体框架中，无聚集现象，实现了原子级分散与纳米限域协同的光催化结构。载流子动力学和结构分析表明，CT-35异质结构通过Co-N/O桥键显著延长电子寿命并降低激子结合能，促进自由电子生成并迁移至催化表面，同时空心CS柱撑效应增加层间距，优化孔径分布以利于传质。光照下的光热效应进一步加速表面反应，而非独立驱动析氢，从而实现高效光催化性能。

多尺度内建电场表征

多尺度电场表征表明，CT-x异质结构中，CS与TP-TDS通过Co-N/O键接触后形成界面内建电场，驱动电子从TP-TDS向CS定向迁移。UPS、DFT、电势测量（KPFM）及原位XPS结果从宏观到原子尺度一致揭示了电场存在、强度及光照下电子的定向流动，为光生电子高效输送至催化位点提供了明确证据。

该成果是新疆师范大学首次以第一完成单位在《Nature Communications》上发表研究论文，实现了学校在该顶级期刊上零的突破，展现了近年来学校在学科建设与科研创新方面的显著成效。

论文通讯作者为我校化学化工学院杜虹教授，充分体现了学校在相关研究领域的学术引领作用与高水平科研组织能力。论文第一作者为我校化学化工学院潘爱玲硕士，其本科、硕士阶段均在我校完成培养，彰显了学校在人才培养方面的连续性与高质量成效。

杜虹，新疆师范大学化学化工学院教授，硕士、博士生导师。长期从事无机纳米材料、金属有机框架材料（MOFs）及共价有机框架材料（COFs）的设计、合成与性能调控研究，重点围绕光/电催化水分解制氢、析氢反应及环境污染物治理等方向开展系统性研究工作，在新型功能材料构筑及其在清洁能源与环境领域中的应用方面取得了一系列创新性研究成果。

主持国家自然科学基金项目2项、省部级科研项目5项，具备扎实的科研组织与项目实施能力。以第一作者或通讯作者在国内外重要学术期刊发表SCI论文40余篇，总被引500余次，研究成果具有良好的学术影响力。相关成果中2篇论文荣获新疆维吾尔自治区优秀自然科学论文三等奖。

杜虹教授注重科研与人才培养的协同发展，指导研究生在功能材料与能源催化领域开展前沿探索，培养了一批具有创新意识和科研能力的高层次人才。其团队围绕绿色能源转化与环境治理关键科学问题持续开展深入研究，在推动区域科技发展和服务国家“双碳”目标方面发挥了积极作用。

杜虹教授团队合影

信息、图片来源：化学化工学院     编审：宣传部