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近日，物理學(xué)院李永慶教授團(tuán)隊(duì)與魯東大學(xué)、濱州醫(yī)學(xué)院等單位合作，首次系統(tǒng)探討了最小碳籠C₂₀基單層及其異質(zhì)結(jié)在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用，為未來(lái)氫能的生產(chǎn)提供了創(chuàng)新思路，其相關(guān)研究成果以《Two-dimensional C₂₀-based monolayers and heterostructures for photocatalytic overall water splitting》為題，發(fā)表在Nature子刊《npj 2D Materials and Applications》，遼寧大學(xué)為論文第一作者及通訊作者單位。

隨著全球能源需求增長(zhǎng)和可再生能源需求迫切，光催化分解水制氫技術(shù)因清潔可持續(xù)特性備受關(guān)注，二維材料因其獨(dú)特電子結(jié)構(gòu)和表面活性成為理想催化劑候選者，但單一材料難以同時(shí)滿(mǎn)足能帶結(jié)構(gòu)、光吸收和載流子分離等多重要求。碳基材料以其特殊的物理穩(wěn)定性和廣泛的氧化還原性能受到廣泛研究，C₂₀作為最小的閉合碳結(jié)構(gòu)，是氫儲(chǔ)存和氫生產(chǎn)的絕佳候選。當(dāng)前對(duì)二維結(jié)構(gòu)的C₂₀單層的研究仍然極其有限，嚴(yán)重阻礙了其在光催化制氫領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

圖1 優(yōu)化設(shè)計(jì)的新型C₂₀基單層結(jié)構(gòu)

該研究通過(guò)第一性原理計(jì)算構(gòu)建了三種二維C₂₀基單層材料（α-C₂₀、β-C₂₀、γ-C₂₀），系統(tǒng)分析其幾何穩(wěn)定性（動(dòng)態(tài)/熱力學(xué)/機(jī)械穩(wěn)定性）、電子性質(zhì)（間接帶隙2.19-1.48 eV）及載流子遷移率（最高達(dá)9.61×10⁴ cm²V^-1s^-1）。其中α-C₂₀單層展現(xiàn)11.86%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)氫效率，其析氫反應(yīng)的吉布斯自由能僅0.0147 eV，具備優(yōu)異催化活性。

李永慶教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建C₂₀單層與XY₂（X=Mo、Ge、Sn；Y=S、Se）單層的范德華異質(zhì)結(jié)，篩選出四個(gè)符合光催化Z方案的結(jié)構(gòu)：GeS₂/α-C₂₀、MoS₂/β-C₂₀、SnS₂/β-C₂₀、SnSSe/β-C₂₀，異質(zhì)結(jié)通過(guò)內(nèi)建電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)光生載流子高效分離，并通過(guò)pH值調(diào)控使析氫和析氧反應(yīng)在寬范圍內(nèi)自發(fā)進(jìn)行。研究結(jié)果表明，GeS₂/α-C₂₀異質(zhì)結(jié)中納秒級(jí)別的光生載流子壽命（電子223.44 ns，空穴31.37 ns）與合適的復(fù)合時(shí)間（0.099 ns），使其成為最合適的光催化水解析氫候選材料。

近年來(lái)，李永慶教授團(tuán)隊(duì)在光催化分解水制氫領(lǐng)域開(kāi)展了多項(xiàng)前沿工作，發(fā)表了多篇高水平論文（Journal of Power Sources 2024 (594) 234045, Applied Surface Science 2024 (678) 161057 , M. Liu, Y. Q. Li* et al.），在此基礎(chǔ)上，本研究首次系統(tǒng)揭示了C₂₀基單層和異質(zhì)結(jié)在光催化水分解產(chǎn)氫的潛力，提出“單層設(shè)計(jì)-異質(zhì)結(jié)構(gòu)建-光催化性質(zhì)優(yōu)化”三位一體的材料開(kāi)發(fā)策略，為新型非金屬光催化劑設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，為開(kāi)發(fā)高效的C₂₀基Z方案驅(qū)動(dòng)的制氫光催化劑提供了一個(gè)極具應(yīng)用潛力的新途徑。

【原文鏈接】https://doi.org/10.1038/s41699-025-00545-5。

遼寧大學(xué)物理學(xué)院2022級(jí)原子與分子物理專(zhuān)業(yè)博士生劉苗為論文第一作者，遼寧大學(xué)物理學(xué)院李永慶教授、魯東大學(xué)楊傳路教授、濱州醫(yī)學(xué)院戰(zhàn)麗波副教授為論文共同通訊作者。

作者簡(jiǎn)介：李永慶，教授、博士生導(dǎo)師、遼寧大學(xué)物理學(xué)院院長(zhǎng)，受聘全國(guó)計(jì)算原子與分子物理學(xué)會(huì)委員、校學(xué)術(shù)委員會(huì)委員。入選遼寧省“百千萬(wàn)人才工程”百層次人才、遼寧省“興遼英才”青年拔尖人才、遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才、沈陽(yáng)市“高層次人才”領(lǐng)軍人才、英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)“Top 1%高被引中國(guó)作者”。獲遼寧省優(yōu)秀研究生導(dǎo)師、遼寧省本科教學(xué)名師、遼寧省本科教育課程思政教學(xué)名師等榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)。長(zhǎng)期從事分子勢(shì)能面和激發(fā)態(tài)氫鍵動(dòng)力學(xué)研究，在權(quán)威學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表 SCI 收錄論文 100 余篇（包括 ESI 高被引論文 3 篇）。主持完成國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、教育部、中國(guó)博士后基金等省部級(jí)以上項(xiàng)目 15 項(xiàng)。獲遼寧省自然科學(xué)獎(jiǎng)（政府獎(jiǎng)）三等獎(jiǎng)。獲遼寧省自然學(xué)術(shù)成果一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)、沈陽(yáng)市學(xué)術(shù)成果特等獎(jiǎng)等學(xué)術(shù)成果獎(jiǎng) 10 余次。