摘要：光催化是一种利用光能驱动化学反应的过程，其核心在于光催化剂这一关键角色。催化剂的活性位点分布直接影响光催化效率。传统观点认为，二维材料因具有宽阔的基面，能够提供大量反应位点。例如，氮化碳、共价有机框架等二维材料的基面上可通过分子结构设计引入大量活性位点，因此这

光催化是一种利用光能驱动化学反应的过程，其核心在于光催化剂这一关键角色。催化剂的活性位点分布直接影响光催化效率。传统观点认为，二维材料因具有宽阔的基面，能够提供大量反应位点。例如，氮化碳、共价有机框架等二维材料的基面上可通过分子结构设计引入大量活性位点，因此这些材料的基面一直被认为具有催化活性。尽管这些基面具备本征活性，但一个关键点常被忽视，即光生载流子是否能够到达这些反应位点？为了探究这一问题，北京市科学技术研究院资源环境研究所（以下简称“资环所”）张忠国研究员团队与澳大利亚技术科学与工程院院士、昆士兰大学张西旺教授团队合作，首次揭示了有机二维光催化剂中普遍存在的“伪惰性基面”现象，挑战了“基面活性位点均匀分布”的传统假设（图1）。

图1.晶体结构对激子迁移与基面活性的调控机制

图2.材料结构与激子输运特性表征

图3.光沉积法揭示反应位点空间分布

图4.光物理特性揭示nano-KPHI中的激子自陷行为

为阐明激子迁移对基面活性的调控机制，团队构建了钾离子插层氮化碳模型体系。通过热聚合温度调控，成功制备出非晶态KPCN、高结晶度块体bulk-KPHI及少层纳米片nano-KPHI。测试结果显示KPHI系列具有有序晶格结构。DFT计算证实，KPCN中激子呈现强局域化特性，KPHI则表现出各向异性迁移特征，为“伪惰性”基面的形成机制提供了理论支持（图2）。通过光沉积标记反应位点，发现非晶KPCN基面存在Pt纳米团簇沉积，表明其激子迁移受限导致的局域化特性，且块体KPHI的Pt选择性沉积于边缘位点，印证激子沿层内迁移至边缘的规律，而纳米片nano-KPHI展现出均匀基面沉积，证明其"伪惰性"基面被有效激活（图3）。进一步的光谱分析则揭示了nano-KPHI的独特的激子自陷行为（图4）。受维度缩减影响，材料内部出现由光诱导的瞬态晶格畸变，限制激子长程迁移并促使其在基面局域化，激活了原本反应性不足的基面区域。在光催化H₂O₂生成反应中，nano-KPHI展现出显著性能优势，产率高达35 mmol·g⁻¹·h⁻¹，较bulk-KPHI提升3.5倍以上（图5）。研究表明，基面活性的nano-KPHI主要通过以•O₂⁻为中间体的间接双电子路径产H₂O₂，而基面惰性的bulk-KPHI则倾向于直接路径。这一路径差异源于反应位点空间分布的变化，强调了基面活性调控对反应机制与性能的深远影响。

图5.光催化H₂O₂生成性能及反应路径分析

图6.论文关键信息

该研究阐明了有机二维光催化剂中"伪惰性基面"的形成机制与调控策略，通过维度调控诱导激子自陷，实现基面动态激活，显著提升催化性能，为高效光催化剂设计提供新的见解，对于应对能源短缺、碳中和及污染物治理等难题具有重要意义。该工作以“Self-trapped excitons activate pseudo-inert basal planes of 2D organic semiconductors for improved photocatalysis”为题发表于材料科学领域顶级期刊Advanced Materials（中国科学院期刊分区1区TOP期刊，影响因子27.4）（图6）。资环所与昆士兰大学联合培养的博士生杨金帝为论文的第一作者，张忠国研究员、张西旺教授和昆士兰大学曾祥康博士为论文共同通讯作者。本工作得到了北京市科学技术研究院创新工程项目资助。

来源：北京市科学技术研究院