【儀表網 研發快訊】近日，穩態強磁場實驗裝置(SHMFF)用戶中國科學技術大學謝毅院士、張曉東教授團隊提出了一種表面鹵素(Cl、Br和I)鈍化策略以提高光催化劑穩定性。該策略可提供抵御化學侵蝕的保護屏障，防止氧化和還原性的表面降解。相關成果以“Surface Halogen Passivation Enables Ultra-Stable Metal Sulfide for Efficient Methanol Photoactivation”為題發表于Journal of the American Chemical Society。SHMFF所屬電子順磁共振譜儀(EPR)從自由基機制和材料穩定性兩個層面，為該研究光催化性能提升提供了關鍵實驗證據。
近年來，過渡金屬硫化物因其在光催化小分子活化制備高附加值化學品方面的潛力而備受關注，但其實際應用受制于嚴重的光腐蝕問題：光生電子和空穴分別攻擊金屬離子和硫離子，導致催化劑表面離子溶出、結構崩塌和快速失活。盡管已有貴金屬沉積、有機配體修飾等保護策略，但這些方法往往成本高昂或犧牲催化活性。
基于此，研究團隊提出了一種表面鹵素(Cl、Br和I)鈍化策略以提高光催化劑穩定性，該策略可提供抵御化學侵蝕的保護屏障，防止氧化和還原性的表面降解。以典型的金屬硫化物催化劑CdS為代表模型，研究發現引入的表面鹵素能有效抑制連續光照射下硫或鎘離子的表面流失，這與原始CdS中觀察到的廣泛結構損傷形成鮮明對比。此外，鹵素鈍化的催化劑表現出卓越的光催化效率，這歸因于加速的電荷轉移動力學促進了激子解離和界面電子傳輸。這些改進使得即使在超低輻照度下也能實現有效的甲醇活化和雜芳烴的選擇性C(sp³)−H甲基化，其中Cl鈍化的CdS產率高達90%，遠超原始CdS的微量產率。
EPR在本研究中發揮了兩個關鍵作用：一是原位監測光腐蝕過程中的缺陷演變，通過在超低溫(2 K)下采集光譜，直接證實了鹵素鈍化有效抑制了CdS光生電子還原Cd²?所伴隨的缺陷信號，從微觀自由基/未配對電子層面揭示了穩定性提升的根源；二是捕獲并鑒定反應活性物種，利用DMPO自旋捕獲劑證明了鹵素修飾后的CdS在光照下能更高效地生成·CH?OH自由基，為甲醇活化路徑提供了直接的實驗證據。
該研究提出的表面鹵素鈍化策略，不僅克服了金屬硫屬化物因光腐蝕導致失活的挑戰，還顯著增強了光生載流子的分離和利用，從而實現了整體催化性能的顯著提升。這一策略為設計高穩定性、高效率的光催化材料提供了新思路，在綠色合成高附加值化學品和太陽能轉化領域具有重要應用前景。
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