近日，我校化学与分子工程学院工业催化研究所/计算化学中心王海丰教授课题组在国际能源环境领域顶级期刊Energy & Environmental Science上发表了题为“Disentanglingthe Activity-Charge Coupling in Cocatalyst-Semiconductor Heterojunctions forOptimized Oxygen Evolution”的理论研究论文，报道了团队在助催化剂—半导体异质结光催化析氧反应（OER）机制研究中取得的最新进展。
太阳能驱动水分解制氢是实现绿色能源转化的重要途径。其中，OER涉及多电子、多质子转移过程、动力学缓慢，是制约光催化整体效率提升的核心瓶颈之一。长期以来，在半导体表面负载助催化剂被认为是提升OER性能的有效策略。通常认为，助催化剂一方面能够提供反应活性位点，降低表面反应能垒；另一方面又能够调控半导体界面电荷分布，促进光生空穴在反应位点积累。然而，在实际助催化剂—半导体异质结体系中，这两种作用往往高度耦合，难以区分其各自贡献，导致助催化剂筛选和性能优化长期缺乏清晰的定量理论依据。
针对这一难题，团队以典型IrO2/TiO2助催化剂—半导体异质结为模型，结合从头算分子动力学和第一性原理微观动力学模拟，系统研究了固液界面环境下的光催化OER过程。研究创新性地建立了助催化剂“本征活性—电荷积累”解耦分析框架，将助催化剂对反应活性的直接调控作用与其诱导的表面空穴积累效应进行定量区分，实现了对催化剂表面OER增强机制的深入解析。
研究发现，在IrO2/TiO2体系中，OER速率的提升并非来源于IrO2位点更高的本征活性；相反，Ir位点过强的氧结合能力会在一定程度上阻碍O-O键形成，不利于OER的本征动力学过程。该体系表现出的优异OER性能，主要来源于IrO2较强的空穴积累能力以及异质结界面肖特基结所引起的表面空穴浓度提升。研究团队进一步将这一分析框架推广至一系列金红石型金属氧化物助催化剂，发现助催化剂的本征催化活性与空穴积累能力之间存在类似“跷跷板”的竞争关系：较低功函数有利于增强界面空穴积累，但同时会强化氧物种吸附，进而抑制关键O-O键形成；较高功函数则会削弱空穴积累能力，限制光催化OER反应效率。因此，只有在本征反应活性与界面电荷积累能力之间实现适度平衡，才能获得更优的OER性能。在此基础上，团队提出功函数可作为连接空穴积累能力与催化本征活性的统一描述符，并预测具有适中功函数的RhO2、CrO2等助催化剂有望在光催化OER中表现出更优性能。
该研究从理论层面阐明了助催化剂—半导体异质结中“活性—载流子”耦合调控光催化OER的微观机制，突破了传统上将助催化剂作用简单归因于“提高本征活性”和“提升空穴浓度”的笼统认识。相关成果不仅加深了对光催化水氧化界面反应过程的理解，也为面向太阳能燃料制备的高效异质结催化材料设计提供了可推广的新思路。
我校化学与分子工程学院博士后刘颖和特聘副研究员周敏为论文共同第一作者，王海丰教授为通讯作者。该研究工作得到了绿色化工与工业催化全国重点实验室、国家重点研发计划、国家自然科学基金杰出青年基金等平台和项目的支持。
原文链接：https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2026/EE/D6EE00362A
