由于赤鐵礦（α-Fe2O3）具有15.5%的理論太陽(yáng)能-氫氣轉(zhuǎn)換效率，科學(xué)家們一直致力于改善其光電化學(xué)水分解性能，但低置壓光子-電流效率仍然是實(shí)際應(yīng)用的巨大挑戰(zhàn)。
基于此，內(nèi)蒙古大學(xué)武利民教授、王蕾教授和賀進(jìn)祿研究員等人報(bào)道將單原子鉑（SAs Pt）位點(diǎn)與氧原子配位（Pt-O/Pt-O-Fe）位點(diǎn)引入單晶α-Fe2O3納米片光陽(yáng)極（SAs Pt: Fe2O3-Ov）中。最佳SAs Pt: Fe2O3-Ov光陽(yáng)極在1.23和1.5 VRHE下分別表現(xiàn)出3.65和5.30 mA cm?2的光電化學(xué)性能，α-Fe2O3基光陽(yáng)極的偏置光子電流效率為0.68%。作者利用DFT計(jì)算了投射態(tài)密度（PDOS）和電子定位函數(shù)（ELF），以確定Pt NPs和Pt SAs的負(fù)載是否會(huì)影響Fe2O3幾何形狀的電子結(jié)構(gòu)和電子遷移率，并將樣品記為NPs Pt/Fe2O3和SAs Pt: Fe2O3。計(jì)算得到Fe2O3的直接帶隙約為2.0 eV，與文獻(xiàn)值（2.1 eV）一致。對(duì)于NPs Pt/Fe2O3，部分Pt原子與表面氧結(jié)合，而其他Pt原子則表現(xiàn)出金屬性質(zhì)，形成Pt-Pt鍵。Pt NPs在Fe2O3的帶隙之間引入了幾乎連續(xù)的狀態(tài)，促進(jìn)了光生電子從Fe2O3轉(zhuǎn)移到Pt NPs。將Pt納米顆?？s小到單原子水平，Pt原子與O原子形成Pt-O共價(jià)鍵，對(duì)比NPs Pt/Fe2O3，在帶隙內(nèi)產(chǎn)生了幾個(gè)電荷捕獲狀態(tài)，主要由SAs Pt原子組成，可捕獲光生成的載流子并加速電子-空穴分離。此外，ELF表明，摻雜Pt降低了電子局域化，有利于提高電子傳遞速率。NPs Pt/Fe2O3中存在較強(qiáng)的Pt-O和金屬-金屬相互作用，而SAs Pt: Fe2O3中則不存在Pt-O和金屬-金屬相互作用。結(jié)果表明，SAs Pt摻雜可以促進(jìn)電子的分離和轉(zhuǎn)移，從而提高性能。Single-atomic-site platinum steers photogenerated charge carrier lifetime of hematite nanoflakes for photoelectrochemical water splitting. Nat. Commun., 2023, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-38343-6.
