近日，物理学院李永庆教授团队与鲁东大学、滨州医学院等单位合作，首次系统探讨了最小碳笼C₂₀基单层及其异质结在光催化领域的应用，为未来氢能的生产提供了创新思路，其相关研究成果以《Two-dimensional C₂₀-based monolayers and heterostructures for photocatalytic overall water splitting》为题，发表在Nature子刊《npj 2D Materials and Applications》，威廉希尔足球中文网站为论文第一作者及通讯作者单位。

随着全球能源需求增长和可再生能源需求迫切，光催化分解水制氢技术因清洁可持续特性备受关注，二维材料因其独特电子结构和表面活性成为理想催化剂候选者，但单一材料难以同时满足能带结构、光吸收和载流子分离等多重要求。碳基材料以其特殊的物理稳定性和广泛的氧化还原性能受到广泛研究，C₂₀作为最小的闭合碳结构，是氢储存和氢生产的绝佳候选。当前对二维结构的C₂₀单层的研究仍然极其有限，严重阻碍了其在光催化制氢领域的应用开发。

图1 优化设计的新型C₂₀基单层结构

该研究通过第一性原理计算构建了三种二维C₂₀基单层材料（α-C₂₀、β-C₂₀、γ-C₂₀），系统分析其几何稳定性（动态/热力学/机械稳定性）、电子性质（间接带隙2.19-1.48 eV）及载流子迁移率（最高达9.61×10⁴ cm²V^-1s^-1）。其中α-C₂₀单层展现11.86%的太阳能转氢效率，其析氢反应的吉布斯自由能仅0.0147 eV，具备优异催化活性。

李永庆教授团队通过构建C₂₀单层与XY₂（X=Mo、Ge、Sn；Y=S、Se）单层的范德华异质结，筛选出四个符合光催化Z方案的结构：GeS₂/α-C₂₀、MoS₂/β-C₂₀、SnS₂/β-C₂₀、SnSSe/β-C₂₀，异质结通过内建电场实现光生载流子高效分离，并通过pH值调控使析氢和析氧反应在宽范围内自发进行。研究结果表明，GeS₂/α-C₂₀异质结中纳秒级别的光生载流子寿命（电子223.44 ns，空穴31.37 ns）与合适的复合时间（0.099 ns），使其成为最合适的光催化水解析氢候选材料。

近年来，李永庆教授团队在光催化分解水制氢领域开展了多项前沿工作，发表了多篇高水平论文（Journal of Power Sources 2024 (594) 234045, Applied Surface Science 2024 (678) 161057 , M. Liu, Y. Q. Li* et al.），在此基础上，本研究首次系统揭示了C₂₀基单层和异质结在光催化水分解产氢的潜力，提出“单层设计-异质结构建-光催化性质优化”三位一体的材料开发策略，为新型非金属光催化剂设计提供了理论依据，为开发高效的C₂₀基Z方案驱动的制氢光催化剂提供了一个极具应用潜力的新途径。

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

威廉希尔足球中文网站物理学院2022级原子与分子物理专业博士生刘苗为论文第一作者，威廉希尔足球中文网站物理学院李永庆教授、鲁东大学杨传路教授、滨州医学院战丽波副教授为论文共同通讯作者。

作者简介：李永庆，教授、博士生导师、威廉希尔足球中文网站物理学院院长，受聘全国计算原子与分子物理学会委员、校学术委员会委员。入选辽宁省“百千万人才工程”百层次人才、辽宁省“兴辽英才”青年拔尖人才、辽宁省高等学校优秀人才、沈阳市“高层次人才”领军人才、英国皇家化学会“Top 1%高被引中国作者”。获辽宁省优秀研究生导师、辽宁省本科教学名师、辽宁省本科教育课程思政教学名师等荣誉称号。长期从事分子势能面和激发态氢键动力学研究，在权威学术期刊上发表 SCI 收录论文 100 余篇（包括 ESI 高被引论文 3 篇）。主持完成国家自然科学基金面上项目、教育部、中国博士后基金等省部级以上项目 15 项。获辽宁省自然科学奖（政府奖）三等奖。获辽宁省自然学术成果一等奖、二等奖、沈阳市学术成果特等奖等学术成果奖 10 余次。