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近日，我校化学化工学院杜虹教授团队在学术期刊《Nature Communications》在线发表了题为“Multiscale electric fields direct charges to single-atom cobalt sites for photocatalytic H₂ production”的学术论文。

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光催化水分解制氢是解决能源危机和实现碳中和的理想途径。共价有机框架（COFs）因高结晶性、可调光电性能和分子级精确结构而备受关注，但其光催化效率受限于激子结合能高导致电荷难以分离，以及活性位点埋藏在体相结构中难以被反应物触及。传统剥离COF为超薄纳米片虽可缩短电荷迁移距离、暴露活性位点，但存在产率低、结构破坏及可扩展性差等问题，且无法形成原子级界面以实现高效电荷转移。单原子催化因高原子利用率和明确活性位点而受到重视，将单原子位点与剥离COF通过共价桥键结合，有望构建从吸光体到催化中心的定向电荷通道。然而，在一锅法中同时实现COF原位剥离、原子级金属锚定及界面电荷通道构建仍具挑战性。受肺泡结构启发，本研究设计了仿生“肺泡－叶片”异质结构：空心硫化钴（Co₃S₄）“肺泡”原位锚定在剥离COF纳米片“叶片”上，形成原子级Co-N/O桥键，并自发产生多尺度电场——界面强电场驱动电荷分离，叶片内电势梯度引导电子定向输送，将光生电子高效输送至单原子Co位点。该催化剂在无贵金属条件下实现534.6 mmol·g??·h??的析氢速率，500 nm处表观量子产率达90.2%，刷新COF光催化剂性能标杆。