2026年7月，我校化学化工学院杜虹教授团队在核心期刊《Advanced Science》（中科院一区TOP期刊，IF=14.1）发表了题为 “Hydrogen-Bonding-Directed Assembly of COF/Nanocluster Hybrids with Synergistic Roles for Efficient Solar Hydrogen Production”的研究论文。该研究围绕太阳能驱动光催化水分解制氢领域关键科学问题，提出了一种氢键诱导界面组装策略，构筑了具有精准分子级界面的共价有机框架（COF）/多金属纳米团簇复合光催化体系，实现了高效、稳定的太阳能制氢性能。

图1 论文首页

这项工作的核心创新可以概括为三个方面：

创新一：利用氢键构筑“分子级接口”

图2 氢键导向组装结构示意图

传统COF负载金属催化剂方法通常存在三个问题：接触界面随机；电荷传输路径不连续；金属团簇与COF之间耦合较弱。本工作利用COF残余胺基与NiZnCo-NC表面含氮物种之间的氢键作用，引导COF在纳米团簇表面发生定向成核和原位生长，形成紧密连接的COF/纳米团簇异质结构。这种设计不仅增强了COF与金属团簇之间的界面结合，还为光生电子从吸光骨架向催化位点迁移提供了连续通道。

创新二：三种金属各司其职

图3 密度泛函理论（DFT）计算

论文最大的亮点之一，是明确解析了Ni、Zn和Co在催化体系中的不同功能。

Ni：结构稳定剂。Ni主要负责维持碳骨架和纳米团簇的结构完整性。Ni的核心作用并非直接承担析氢反应，而是为高活性Co位点提供稳定的结构载体。

Zn：电子调控剂。Zn通过调节Co的d带中心，改变Co位点对氢中间体H*的吸附强度。对于单独的Co-NC，氢吸附自由能ΔG_H*为−2.24 eV，说明Co对H吸附过强，不利于后续氢脱附。引入Ni或Zn后，吸附强度得到明显缓解；在三元NiZnCo-NC中，ΔG_H*进一步优化至+0.087 eV，更接近理想的热力学状态。这表明Zn主要通过电子结构调控，避免Co位点因氢吸附过强而发生“中毒”。

Co：真正的催化活性位点。体系中的Co主要以金属Co纳米团簇形式存在，并表现出明显的Co-Co配位。结合DFT结果，作者认为金属Co位点是体系中承担质子还原和氢气生成的主要活性中心。因此，该催化体系中的三种金属形成了清晰的协同分工：Ni稳结构，Zn调电子，Co做反应。

创新三：氢键还能让COF“变薄”

除了界面连接作用，氢键导向生长还改变了COF的形貌和堆积方式。AFM测试显示：原始TP-TDS COF厚度主要分布在50–75 nm；NZT-1中的COF厚度则集中在2–5 nm。这说明在NiZnCo-NC模板和界面氢键作用下，COF层间规则π–π堆积被削弱，在生长过程中直接形成超薄纳米片。

图4 性能与结构表征

这一研究突破了传统COF/金属复合体系依赖简单负载和经验筛选的设计模式，说明高性能光催化剂的构筑不能只关注“使用什么材料”，还需要回答三个更关键的问题：界面如何连接？电子如何迁移？不同组分分别承担什么功能？该策略有望进一步拓展至其他COF/金属团簇、COF/单原子或COF/半导体异质结构，并为光催化CO₂还原、光催化固氮、过氧化氢合成以及太阳能驱动有机转化等反应提供新的材料设计思路。

团队负责人：杜虹，新疆师范大学教授，硕士、博士生导师。团队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研究，在新型功能材料构筑及其清洁能源与环境应用方面取得了一系列创新成果。

信息、图片来源：化学化工学院、科学技术处     编审：宣传部