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近日，物理學院李永慶教授團隊與魯東大學、濱州醫學院等單位合作，首次系統探討了最小碳籠C₂₀基單層及其異質結在光催化領域的應用，為未來氫能的生產提供了創新思路，其相關研究成果以《Two-dimensional C₂₀-based monolayers and heterostructures for photocatalytic overall water splitting》為題，發表在Nature子刊《npj 2D Materials and Applications》，遼寧大學為論文第一作者及通訊作者單位。

隨著全球能源需求增長和可再生能源需求迫切，光催化分解水制氫技術因清潔可持續特性備受關注，二維材料因其獨特電子結構和表面活性成為理想催化劑候選者，但單一材料難以同時滿足能帶結構、光吸收和載流子分離等多重要求。碳基材料以其特殊的物理穩定性和廣泛的氧化還原性能受到廣泛研究，C₂₀作為最小的閉合碳結構，是氫儲存和氫生產的絕佳候選。當前對二維結構的C₂₀單層的研究仍然極其有限，嚴重阻礙了其在光催化制氫領域的應用開發。

圖1 優化設計的新型C₂₀基單層結構

該研究通過第一性原理計算構建了三種二維C₂₀基單層材料（α-C₂₀、β-C₂₀、γ-C₂₀），系統分析其幾何穩定性（動態/熱力學/機械穩定性）、電子性質（間接帶隙2.19-1.48 eV）及載流子遷移率（最高達9.61×10⁴ cm²V^-1s^-1）。其中α-C₂₀單層展現11.86%的太陽能轉氫效率，其析氫反應的吉布斯自由能僅0.0147 eV，具備優異催化活性。

李永慶教授團隊通過構建C₂₀單層與XY₂（X=Mo、Ge、Sn；Y=S、Se）單層的范德華異質結，篩選出四個符合光催化Z方案的結構：GeS₂/α-C₂₀、MoS₂/β-C₂₀、SnS₂/β-C₂₀、SnSSe/β-C₂₀，異質結通過內建電場實現光生載流子高效分離，并通過pH值調控使析氫和析氧反應在寬范圍內自發進行。研究結果表明，GeS₂/α-C₂₀異質結中納秒級別的光生載流子壽命（電子223.44 ns，空穴31.37 ns）與合適的復合時間（0.099 ns），使其成為最合適的光催化水解析氫候選材料。

近年來，李永慶教授團隊在光催化分解水制氫領域開展了多項前沿工作，發表了多篇高水平論文（Journal of Power Sources 2024 (594) 234045, Applied Surface Science 2024 (678) 161057 , M. Liu, Y. Q. Li* et al.），在此基礎上，本研究首次系統揭示了C₂₀基單層和異質結在光催化水分解產氫的潛力，提出“單層設計-異質結構建-光催化性質優化”三位一體的材料開發策略，為新型非金屬光催化劑設計提供了理論依據，為開發高效的C₂₀基Z方案驅動的制氫光催化劑提供了一個極具應用潛力的新途徑。

【原文鏈接】https://doi.org/10.1038/s41699-025-00545-5。

遼寧大學物理學院2022級原子與分子物理專業博士生劉苗為論文第一作者，遼寧大學物理學院李永慶教授、魯東大學楊傳路教授、濱州醫學院戰麗波副教授為論文共同通訊作者。

作者簡介：李永慶，教授、博士生導師、遼寧大學物理學院院長，受聘全國計算原子與分子物理學會委員、校學術委員會委員。入選遼寧省“百千萬人才工程”百層次人才、遼寧省“興遼英才”青年拔尖人才、遼寧省高等學校優秀人才、沈陽市“高層次人才”領軍人才、英國皇家化學會“Top 1%高被引中國作者”。獲遼寧省優秀研究生導師、遼寧省本科教學名師、遼寧省本科教育課程思政教學名師等榮譽稱號。長期從事分子勢能面和激發態氫鍵動力學研究，在權威學術期刊上發表 SCI 收錄論文 100 余篇（包括 ESI 高被引論文 3 篇）。主持完成國家自然科學基金面上項目、教育部、中國博士后基金等省部級以上項目 15 項。獲遼寧省自然科學獎（政府獎）三等獎。獲遼寧省自然學術成果一等獎、二等獎、沈陽市學術成果特等獎等學術成果獎 10 余次。