王心晨团队张贵刚课题组在光催化全解水领域取得新进展

近期，王心晨团队张贵刚课题组在Angewandte Chemie International Edition上发表了题为“Sm³⁺ Doping-Induced Suppression of Ce³⁺ 4f¹ Trap States in CeO₂ for Efficient Photocatalytic Overall Water Splitting”的研究论文。

太阳能驱动光催化全解水能够将间歇性太阳能转化为可储存的氢能，是构建未来可持续能源体系、缓解全球能源与环境危机的重要技术路径。二氧化铈（CeO₂）具有可逆的Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对和丰富的氧空位，是一类极具潜力的稀土氧化物光催化材料。然而，CeO₂基催化剂在全解水反应中，长期受限于光生载流子的严重体相复合。材料内部无序分布的体相氧空位会衍生Ce³⁺ 4f¹深能级陷阱态，这类缺陷可作为强非辐射复合中心，大量耗散光生电子‑空穴对，致使载流子还未输运至催化剂表面即发生复合，难以参与界面氧化还原反应。受该本征缺陷的制约，数十年来CeO₂基光催化剂一步激发全解水的表观量子产率始终低于1%。

稀土掺杂是氧化物缺陷工程的重要手段，然而多数稀土掺杂会引入大量体相缺陷，反而加剧载流子复合。因此，如何选择性淬灭体相有害陷阱并保留表面催化活性位点，成为突破CeO₂全解水性能瓶颈亟待解决的核心难题。镧系元素离子半径与4f电子态的多样性，赋予其在CeO₂晶格中可调控的掺杂行为，为缺陷结构与电子结构的精准调控提供了理想研究模型。

针对上述关键科学问题，研究团队发展镧系辅助固相合成策略，实现Sm³⁺在CeO₂颗粒近表面择优偏析。得益于Sm³⁺的表面偏聚分布，协同电荷补偿效应抑制体相Ce³⁺ 4f¹深能级陷阱态，同时保留表面氧空位活性位点，延长光生载流子寿命并促进其向催化界面定向迁移，有效缓解了CeO₂光生载流子严重体相复合的瓶颈问题。

基于上述缺陷调控策略，优化后的Sm-CeO₂光催化剂实现了高效一步激发全解水，365 nm波长下表观量子产率可达12.6%。该催化剂可连续稳定运行58 h，并维持 95% 的初始活性，表现出良好的稳定性。本研究进一步阐明CeO₂中体相Ce³⁺ 4f¹陷阱态、载流子动力学与全解水性能之间的内在关联，为稀土表面偏析实现氧化物缺陷态调控提供新思路，同时也为金属氧化物光催化剂的理性设计提供重要参考。

这一成果发表在Angewandte Chemie International Edition上，论文的第一作者为福州大学化学学院2024级博士研究生邹贵荣，张贵刚教授为论文的通讯作者，为本研究提供了重要指导。这项研究工作得到国家自然科学基金、福建省自然科学基金等项目的大力支持。

论文信息：Sm³⁺ Doping-Induced Suppression of Ce³⁺ 4f¹ Trap States in CeO₂ for Efficient Photocatalytic Overall Water Splitting. Guirong Zou, Wenjin Zheng, Hangyu Zhuzhang, Wandong Xing, Kunlong Liu, Sibo Wang, Zhiyang Yu, Masakazu Anpo, Guigang Zhang*, Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e5141626. https://doi.org/10.1002/anie.5141626