氫能作為清潔能源的重要代表，因其燃燒產物僅為水且能量密度高，被視為推動能源轉型的關鍵方向。在眾多制氫技術中，利用太陽能驅動水分解的光催化制氫技術因其綠色可持續特性備受關注。然而，傳統光催化體系依賴的鉑（Pt）基催化劑因資源稀缺、成本高昂，嚴重制約了該技術的工業化進程。
中國科學院大連化學物理研究所的科研團隊近日在《德國應用化學》發表突破性成果，通過構建共價有機框架（COF）材料的氮原子位移工程，成功實現了鉑催化劑形態的精準調控。研究團隊設計合成了四種拓撲結構相同但氮錨定位點差異顯著的COF異構體，這些材料具有規則的六方孔道結構，氮原子位置沿孔道徑向實現了埃米級精度的梯度分布。
實驗發現，不同氮錨定位點對鉑物種的沉積形態產生決定性影響。在亞胺連接的COF-I2材料中，鉑以單原子與團簇共存的獨特雙活性位點形式存在，而烯烴連接的COF-A2則主要形成單原子鉑。這種結構差異直接導致光催化性能的顯著差異：COF-I2負載鉑后的析氫速率達到26.72 mmol h?1g?1，是COF-A2體系的6.1倍。
機理研究表明，這種性能躍升源于鉑團簇與單原子間的協同作用。密度泛函理論計算顯示，鉑團簇作為空穴接力中心，單原子作為電子捕獲位點，二者形成的電荷重新分布網絡顯著促進了光生載流子的分離效率。飛秒瞬態吸收光譜進一步證實，COF-I2-Pt體系中關鍵電荷分離態的壽命延長是其高效析氫的核心機制。
該研究通過構象異構策略，在保持材料化學組成不變的前提下，實現了對載體錨定位點幾何結構的原子級調控。這種創新設計不僅將鉑的催化效率提升至新高度，更通過減少貴金屬用量顯著降低了制氫成本。實驗數據顯示，優化后的催化劑體系在鉑負載量降低的情況下，仍保持了優異的催化活性，為解決光催化制氫技術的成本瓶頸提供了重要解決方案。
這項突破性成果通過材料基因工程思路，為設計高效光催化劑開辟了新路徑。研究團隊開發的氮原子位移工程策略，可推廣至其他貴金屬催化劑體系，為構建低成本、高穩定性的太陽能制氫系統奠定了理論基礎。相關技術若實現工業化應用，將大幅降低清潔氫能的生產成本，加速氫能經濟時代的到來。
