碳量子点(CQDs)由于其制备方便、成本低、稳定性好、量子产率高、无毒、水亲和力高、可见光吸收等优点，已成为一种很有前途的太阳能转换光催化剂候选物。单原子催化剂由于产生尽可能高的原子利用率已成为多相催化剂中的一个新的活跃前沿，可用于生产具有高的选择性和转化率的理想产品，同时提高可用的催化中心数量。由于电子和能级结构的改变，配位原子的本征活性可能会增强。在光催化剂上引入单个金属原子可以导致极高的原子利用率和精确的活性中心，然而目前仍然缺乏适用于固定单原子的光敏剂。此前报道关注较多的是g-C3N4作为基体负载的单原子用于光催化，但是g-C3N4上低的单原子负载量限制了其光催化应用。
近日，湖南大学李润教授对CQDs的碳核进行结构优化，利用维生素B12中的天然卟啉环，首次成功制备的负载金属单原子Co的新型CQDs光催化剂材料（CoSAS@CQDs）。研究表明将单原子钴锚定在CQDs表面上形成Co-N4结构，达到了3.17wt%的高原子负载量，CQDs既可以作为捕光剂又可以作为单原子钴的支撑体，单原子钴可以增强光诱导电荷分离和促进材料内的电荷传输，其中光生空穴物种可以集中在钴单原子上作为催化中心，单钴原子与碳点的协同作用使光催化剂对可见光促进的氧化反应具有良好的催化效率，研究其在水氧化、芳香胺的氧化偶联和有机颜料的光降解能力，单原子钴锚定在CQDs上在三种氧化反应中表现出较高的稳定性。文中设想了这种将单个金属原子锚定在碳点上的方法将适用于其他金属原子，这可以为原子锚定金属的光催化剂提供一个新的平台。相关成果以“Single Atomically Anchored Cobalt on Carbon Quantum Dots as Efficient Photocatalysts for Visible Light-Promoted Oxidation Reactions”发表在Chemistry of Materials上.
图一：CoSAS@CQDs的形貌、基本物理和光学性质表征
图二：CoSAS@CQDs的光催化氧化反应，例苄胺的析氧和氧化偶联
图三：光催化析氧反应
图四：光催化降解RHB的效率
文章链接：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.
