能源与环境是人类社会可持续发展的基石。然而，化石燃料的过度消耗导致了大量温室气体的排放，引发了严重的温室效应与生态危机。为了从根本上解决这一困境，寻找清洁、无碳且能量密度高的替代能源迫在眉睫。氢能，因其燃烧产物仅为水且燃烧热值高，被视为最理想的绿色能源载体。在众多制氢策略中，利用取之不尽的太阳能驱动光催化分解水制氢，能够将太阳能直接转化为化学能，被认为是一种极具前景的绿色制氢技术。然而，体相电荷快速复合与表面催化位点活性不足严重制约了其应用。虽然单原子催化剂具备极致的原子利用率，但其本征活性往往未达预期。前期研究已证实，极性材料的体相极化能产生强内建电场以驱动电荷分离；与此同时，利用外场调控单原子活性已成为前沿热点，但关于内建极化电场对单原子电子结构及催化机理的调控研究仍属空白。

据此，我校材料科学与工程学院博士生朱子健在黄洪伟教授的指导下，提出“极化电场调控单原子电子结构”的创新理念，利用极性CdS负载Pt单原子，揭示了极化场与活性位点的协同增效机制：

1. 极化诱导电子重排：利用CdS的定向极化电场作为微观“调节器”，有效极化了Pt单原子的原子电荷分布，精准调控了Pt的化学态与电子结构。

2. 双重机理增强：该策略在利用极化电场促进光生电荷高效分离的同时，显著降低了析氢反应（HER）的活化能垒，实现了载流子传输与表面反应动力学的同步优化。

3. 性能突破：这种通过极化载体本征电场激活单原子位点的策略，成功克服了传统单原子催化剂活性受限的瓶颈，实现了高效光解水制氢。

本文系统地阐明了极化电场对单原子化学态的调制规律，有望为高活性极性单原子光催化剂的合理设计和开发开辟新的视野。

图1. 晶体定向极化促进体相电荷分离示意图；CdS纳米颗粒与纳米棒的形貌和结构表征

图2. 光催化分解水产氢活性

图3. 六方CdS的极性来源与极化电场促进体相电荷分离

图4. 极化调控单原子化学态与单位点催化反应

上述研究成果发表于材料领域国际权威期刊《Advanced Materials》上：Zijian Zhu, Jingcong Hu, Cheng Hu, Yue Lu, Shengqi Chu, Fang Chen, Yihe Zhang, Hongwei Huang*. Oriented Crystal Polarization Tuning Bulk Charge and Single-Site Chemical State for Exceptional Hydrogen Photo-Production. Adv. Mater. 2024, 202411339.

全文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202411339