光催化有机物高值化厌氧转化联产氢气技术不仅可以利用太阳能将有机物转化为高附加值的化学品，还能同时产生氢气，实现了太阳能的高效利用和资源的综合转化，对于解决能源危机和环境问题具有重要意义。近期，北京大学深圳研究生院环境与能源学院周鹏助理教授课题组，以丙酮、乙醇、苯甲醇等低价值有机物为研究对象，实现了光催化驱动的氢气与高价值有机物的高效协同制备，相关成果分别发表在《ACS Catalysis》、《Chemical Engineering Journal》、《Acta Physico-Chimica Sinica》期刊上，为光催化有机物高值化转化提供了从催化剂设计到反应机制的系统性解决方案，推动了低碳化学与可持续能源领域的发展。
1. 双金属单原子催化剂实现丙酮高效转化，协同产出增值产物2,5-己二酮与氢气
惰性C(sp3)-H键的活化与定向转化是有机合成领域的核心挑战。传统方法需高温、强氧化剂等苛刻条件，不仅能耗高，还易导致中间体过度氧化，生成大量副产物。相比之下，半导体光催化技术凭借温和反应条件（常温常压、无强氧化剂）的优势，为解决这一难题提供了新思路，但其效率与选择性仍受限于催化剂表面单一活性位点，单一的原子构型难以平衡C(sp3)-H键活化能与关键中间体的反应活性。针对这一问题，团队设计了Pt-Pd双金属单原子催化剂（PtPdSA-TiO2）（图 1）。该催化剂中，Pt与Pd原子通过表面晶格氧形成独特的Pt-O-Pd桥连结构，可精准平衡C(sp3)-H键活化能与关键中间体的形成能，在温和厌氧条件下高效促进丙酮的C-C偶联反应。实验显示，其2,5-己二酮（HDN）产率达5.98 mmol g-1 h-1，选择性高达98.2%，远超单一Pt或Pd单原子催化剂。在户外太阳能追踪反应器中，利用聚焦太阳光时，HDN产率进一步提升至6.48 mmol g-1 h-1，选择性保持98.4%，验证了该体系在实际应用中的潜力。该研究以“Bimetallic Single Atoms for Mild Anaerobic Photocatalytic C(sp3)-H Activation in C-C Coupling Reaction”为题发表在ACS Catalysis期刊上。北京大学深圳研究生院联合培养硕士生周昱晨和北京工业大学博士生张旭为论文共同第一作者，北京大学深圳研究生院周鹏助理教授和湘潭大学李红星教授为论文共同通讯作者。
图1. 在PtPdSA-TiO2表面发生光催化反应使丙酮转换成2,5-己二酮。
2. 热力学稳定的贵金属单原子催化剂驱动乙醇转化，高选择性产出氢气与增值产物乙醛
乙醇作为来源丰富的生物质基平台化合物，其催化转化在清洁能源与精细化工领域具有重要价值，传统乙醇重整制氢技术常伴随过度氧化，导致氢气纯度低且副产物复杂。为解决乙醇转化中催化剂效率差、选择性低等问题，团队开发了基于光化学氧还原反应（ORR）的策略，制备出热力学稳定的Pt单原子催化剂（PtSA-TiO2）。ORR过程诱导Pt在TiO2表面重构，形成稳定的Pt-O4结构，无需有机配体或载体缺陷即可形成热力学稳定结构（图2）。PtSA-TiO2在乙醇光催化转化中表现优异：产氢气速率为320.4 mmol g-1 h-1，是Pt纳米颗粒催化剂的3倍，目标产物乙醛的选择性高达99.65%，氢气纯度超99 vol%。经过10次循环反应，活性与选择性无明显衰减，且该策略可推广至Rh、Pd等其他贵金属单原子催化剂的合成。该研究以“Designing thermodynamically stable noble metal single-atom photocatalysts for highly efficient non-oxidative conversion of ethanol into high-purity hydrogen and value-added acetaldehyde”为题发表在Acta Physico-Chimica Sinica期刊上。北京大学深圳研究生院联合培养硕士生周昱晨为论文第一作者，北京大学深圳研究生院周鹏助理教授和湘潭大学李红星教授为论文共同通讯作者。
图2. 热力学稳定的Pt单原子催化剂的形成过程。
3. 单原子Pt-N3位点助力苯甲醇高效转化，同步制备氢气与增值产物苯甲醛
苯甲醇氧化制苯甲醛是精细化工中的重要反应，将水分解技术与特定生物质（如苯甲醇)氧化相结合具有更广阔的应用前景，这种创新方案可实现纯氢气与高附加值液体燃料苯甲醛（BAD）的同步制备。然而，传统催化剂难以同时实现苯甲醇选择性氧化和协同产氢，尤其是苯甲醇脱氢步骤常因能垒过高成为决速步骤。因此团队开发了一种新型单原子光催化剂（PtN3-CdS），通过光沉积-氮化策略在CdS纳米棒上构建了原子级分散的Pt-N3配位结构。该结构具有独特的富电子特性，可通过界面电荷效应显著提升光生电荷分离效率。密度泛函理论计算表明，N配体不仅维持了Pt中心较低的析氢能垒，还通过与中间体形成强化学作用，大幅降低了苯甲醇脱氢这一决速步骤的能垒（图3）。实验显示，PtN3-CdS在光催化反应中表现出高活性：氢气产率达5.4 mmol g-1 h-1，苯甲醛产率5.2 mmol g-1 h-1，苯甲醛选择性达95.9%；在乳酸体系中，氢气产率更可达134.8 mmol g-1 h-1，且稳定性优异。该研究以“Engineering atomic Pt-N3 sites on CdS nanorods for overcoming the rate-determining organic dehydrogenation in photocatalytic coproduction of H2 and value-added chemicals”为题发表在Chemical Engineering Journal期刊上。北京大学深圳研究生院博士生刘焕敏为论文第一作者，北京大学深圳研究生院周鹏助理教授和中南民族大学李覃副教授为论文共同通讯作者。
图3. PtN3-CdS和PtS3-CdS光催化剂在苯甲醇增值化反应中的能垒差异。
以上研究工作得到了得到国家自然科学基金、深圳自然科学基金、北京大学深圳研究生院启动基金的资助，同时得到了曙光超级计算中心和上海同步辐射光源的支持。
论文链接：
第一：https://doi.org/10.1021/acscatal.5c02169
第二：https://doi.org/10.1016/j.actphy.2025.100067
第三：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158618
