氢能作为清洁能源的重要代表，因其燃烧产物仅为水且能量密度高，被视为推动能源转型的关键方向。在众多制氢技术中，利用太阳能驱动水分解的光催化制氢技术因其绿色可持续特性备受关注。然而，传统光催化体系依赖的铂（Pt）基催化剂因资源稀缺、成本高昂，严重制约了该技术的工业化进程。
中国科学院大连化学物理研究所的科研团队近日在《德国应用化学》发表突破性成果，通过构建共价有机框架（COF）材料的氮原子位移工程，成功实现了铂催化剂形态的精准调控。研究团队设计合成了四种拓扑结构相同但氮锚定位点差异显著的COF异构体，这些材料具有规则的六方孔道结构，氮原子位置沿孔道径向实现了埃米级精度的梯度分布。
实验发现，不同氮锚定位点对铂物种的沉积形态产生决定性影响。在亚胺连接的COF-I2材料中，铂以单原子与团簇共存的独特双活性位点形式存在，而烯烃连接的COF-A2则主要形成单原子铂。这种结构差异直接导致光催化性能的显著差异：COF-I2负载铂后的析氢速率达到26.72 mmol h⁻¹g⁻¹，是COF-A2体系的6.1倍。
机理研究表明，这种性能跃升源于铂团簇与单原子间的协同作用。密度泛函理论计算显示，铂团簇作为空穴接力中心，单原子作为电子捕获位点，二者形成的电荷重新分布网络显著促进了光生载流子的分离效率。飞秒瞬态吸收光谱进一步证实，COF-I2-Pt体系中关键电荷分离态的寿命延长是其高效析氢的核心机制。
该研究通过构象异构策略，在保持材料化学组成不变的前提下，实现了对载体锚定位点几何结构的原子级调控。这种创新设计不仅将铂的催化效率提升至新高度，更通过减少贵金属用量显著降低了制氢成本。实验数据显示，优化后的催化剂体系在铂负载量降低的情况下，仍保持了优异的催化活性，为解决光催化制氢技术的成本瓶颈提供了重要解决方案。
这项突破性成果通过材料基因工程思路，为设计高效光催化剂开辟了新路径。研究团队开发的氮原子位移工程策略，可推广至其他贵金属催化剂体系，为构建低成本、高稳定性的太阳能制氢系统奠定了理论基础。相关技术若实现工业化应用，将大幅降低清洁氢能的生产成本，加速氢能经济时代的到来。
