摘要：氧化还原介质无处不在，在许多能量转换中发挥着重要作用，例如NADPH/NADP+氧化还原对在自然光合作用和水分解过程的光反应中的作用。自然光合作用的关键之一取决于多个电子和质子的协调转移，这由氧化还原介质促进。

氧化还原介质无处不在，在许多能量转换中发挥着重要作用，例如NADPH/NADP+氧化还原对在自然光合作用和水分解过程的光反应中的作用。自然光合作用的关键之一取决于多个电子和质子的协调转移，这由氧化还原介质促进。

利用这种自然功能，研究人员一直在研究在人工系统中复制这些过程的方法。通过揭示氧化还原介质的复杂机制，可以开发合成类似物来模拟这些作用。但是，探索具有多电子、适宜的氧化还原电位和稳定pH缓冲能力的氧化还原介质来模拟自然的太阳能-燃料过程仍然是一个巨大的挑战。

近日，厦门大学陈嘉嘉和中国科学院大连化物所李仁贵等基于多金属氧化物的可调节特性，在高通量第一性原理计算的基础上，建立了过渡金属取代模型的筛选过程。选择钒(V)作为Dawson型磷钨酸盐单取代和三取代结构衍生的取代原子。

利用密度泛函理论，从动力学和热力学两个角度探讨了这些结构调整所伴随的结构-活性关系。随后，筛选出[P2W17VO62]7-({P2W17V})和[P2W15V3O62]9-({P2W15V3})分子团簇作为适合的氧化还原介质，建立了光催化-电解继电系统，用于可见光下氢气和氧气解偶联析出。

具体而言，单V取代结构({P2W15V3})具有1-电子氧化还原活性和顺序质子-电子转移行为，而三V取代簇({P2W15V3})表现出3-电子氧化还原活性和协同质子电子转移行为。

并且，V取代的{P2W15V3}多金属氧化物表现出快速的氧化还原动力学、多电子转移特性和较强的pH缓冲能力。结合其多电子储存能力和协同质子-电子转移特性，确保了反应溶液的长期稳定性，这对于光催化水氧化过程至关重要。

当使用典型的BiVO4光催化剂与以{P2W15V3}为三电子氧化还原介质的电解子系统耦合进行光催化产O2时，在0.6 V的低电压下可实现快速制氢，系统的法拉第效率超过98.5%，同时保持长期稳定运行。

Tunable multi-electron redox polyoxometalates for decoupled water splitting driven by sunlight. Nature Communications, 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-58622-8

陈嘉嘉，教授、博导、课题组组长。2014年获得厦门大学理学博士学位，2015-2018年在英国格拉斯哥大学大学进行博士后研究，2018年进入厦门大学工作。研究方向为发展工况表征手段，揭示“单核离子、建筑块building blocks、功能团簇”的结构衍化及其自组装机制，构筑能源电化学储存和转化新体系。近年来在AM、AEM、JACS、Nat. Commun.、Chem等期刊发表多篇论文。

李仁贵，中国科学院大连化学物理研究所研究员、博士生导师，国家万人计划青年拔尖人才。2009年于厦门大学获得学士学位，2014年于中国科学院大连化学物理研究所取得博士学位，2017年起任微纳光电材料及光催化研究组课题组长；2018年破格晋升为研究员；2019-2020年于美国加州理工学院做访问学者，2023年入选大连化物所张大煜优秀学者。主要从事太阳能光催化能源转化相关研究，在Nat. Catal.、Chem. Soc. Rev.、Nat. Commun.、Joule、Angew.等刊物发表学术论文90余篇，论文他引8000余次。荣获国际催化大会“青年科学家奖”、全国光化学与光催化学会“青年科学家奖”、Chem. Soc. Rev.期刊“新锐科学家”、辽宁青年科技奖“十大英才”、中国化学会“菁青化学新锐奖”、中国科学院“优秀导师奖”等荣誉。

来源：MS杨站长