碳量子點(CQDs)由于其制備方便、成本低、穩定性好、量子產率高、無毒、水親和力高、可見光吸收等優點，已成為一種很有前途的太陽能轉換光催化劑候選物。單原子催化劑由于產生盡可能高的原子利用率已成為多相催化劑中的一個新的活躍前沿，可用于生產具有高的選擇性和轉化率的理想產品，同時提高可用的催化中心數量。由于電子和能級結構的改變，配位原子的本征活性可能會增強。在光催化劑上引入單個金屬原子可以導致極高的原子利用率和精確的活性中心，然而目前仍然缺乏適用于固定單原子的光敏劑。此前報道關注較多的是g-C3N4作為基體負載的單原子用于光催化，但是g-C3N4上低的單原子負載量限制了其光催化應用。
近日，湖南大學李潤教授對CQDs的碳核進行結構優化，利用維生素B12中的天然卟啉環，首次成功制備的負載金屬單原子Co的新型CQDs光催化劑材料（CoSAS@CQDs）。研究表明將單原子鈷錨定在CQDs表面上形成Co-N4結構，達到了3.17wt%的高原子負載量，CQDs既可以作為捕光劑又可以作為單原子鈷的支撐體，單原子鈷可以增強光誘導電荷分離和促進材料內的電荷傳輸，其中光生空穴物種可以集中在鈷單原子上作為催化中心，單鈷原子與碳點的協同作用使光催化劑對可見光促進的氧化反應具有良好的催化效率，研究其在水氧化、芳香胺的氧化偶聯和有機顏料的光降解能力，單原子鈷錨定在CQDs上在三種氧化反應中表現出較高的穩定性。文中設想了這種將單個金屬原子錨定在碳點上的方法將適用于其他金屬原子，這可以為原子錨定金屬的光催化劑提供一個新的平臺。相關成果以“Single Atomically Anchored Cobalt on Carbon Quantum Dots as Efficient Photocatalysts for Visible Light-Promoted Oxidation Reactions”發表在Chemistry of Materials上.
圖一：CoSAS@CQDs的形貌、基本物理和光學性質表征
圖二：CoSAS@CQDs的光催化氧化反應，例芐胺的析氧和氧化偶聯
圖三：光催化析氧反應
圖四：光催化降解RHB的效率
文章鏈接：Qin Wang, Jin Li, Xianjun Tu, Hongbo Liu, Miao Shu, Rui Si, Calum T. J. Ferguson, Kai. A. I. Zhang, and Run Li. Single Atomically Anchored Cobalt on Carbon Quantum Dots as Efficient Photocatalysts for Visible Light-Promoted OxidationReactions. Chem. Mater. 2020, 32, 734?743.
