单原子催化剂（SACs）因其能最大限度地使每个原子暴露于反应介质中，理论上可实现高光催化效率，在光催化领域引起了广泛关注。将SACs负载于金属氧化物已被证实是提升原子利用率的有效策略。材料表面的单原子可促进表面反应进程，例如降低反应能垒、改变反应机理或加速反应速率。此外，单原子的存在能显著增强材料的光吸收能力，并通过提升光生载流子的分离与迁移效率进一步改善光催化性能。因此，在材料表面构建单原子结构具有重要意义。

在各类SACs合成策略中，浸渍法等湿法沉积途径属于低能耗且操作简便的方法。与传统热处理不同，该方法可增加表面单原子催化剂的负载量，避免单个原子轻易被载体材料包裹。因此，湿法沉积制备的单原子催化剂能展现出更高的催化活性。然而，湿法沉积通常在还原性溶剂中进行，反应微环境难以稳定控制，导致金属原子间易形成簇聚。这使得单原子催化剂的形成过程难以调控。此外，SACs的高表面能会因锚定不稳导致催化反应过程中发生簇聚及脱附。因此，寻找精确定向合成策略以构建稳定的单原子催化剂具有重要意义。

本研究设计并应用有机硅烷偶联剂，通过有机反应将铜原子锚定于碳链末端，使铜原子在前驱体溶液中实现稳定分散。随后，硅烷偶联剂通过与基材（TiO₂）表面羟基的水解缩合反应，牢固接枝于TiO₂表面。在硅烷偶联剂的促进下，铜原子以原子级精度分散并负载于TiO₂表面。该方法实现从前驱体液体到单原子负载催化剂的单步精准负载。硅烷偶联剂作为关键桥梁，促进铜与TiO₂间的电子转移，显著提升光催化还原性能。此外，接枝反应的可靠性确保了SACs在催化反应过程中不易从载体催化剂上脱落，有效提升了催化剂稳定性。通过重新定义SACs的合成策略并优化铜原子与TiO₂的相互作用，我们提出了一种稳健且可扩展的方法，不仅深化了对光催化机理的理解，更为可持续能源问题提供了催化剂设计的新方案。

图1. （a）P25、PC、PSC的FT-IR光谱，（b）XPS光谱。（c）PSC的高分辨率透射电子显微镜图像，（d）PC的高分辨率透射电子显微镜图像。（e）PSC的高角度后斜场透射电子显微镜图像。（f）、（g）图1e中标记的第1、2行。（h）PSC的电子能量损失谱。（i-l）PSC的透射电子显微镜-电子能量损失谱成像。

图2. （a）PSC、（b）CuO、（c）Cu₂O和（d）铜箔的EXAFS光谱及其拟合结果。（e）PSC与标准铜样品在铜k边处的EXAFS光谱。（f）铜箔和（g）PSC的EXAFS小波变换分析。（h）PSC与标准Cu样品在Cu k边处的XANES，及（i）XAFS谱的一阶导数。（j）E₀ - E_0,Cu与Cu氧化态的相关性。

图3. PSC、PC、Cu SA-TiO₂和P25的（a）光催化产氢曲线和（b）产氢速率直方图。（c）PSC光催化产氢的循环性能测试。（d）PSC、PC、Cu SA-TiO₂的10小时稳定性测试。（e）PSC的量子效率测试。（f）光催化产氢过程照片。（g）性能与元素含量对比图（具体数值及参考文献见支持信息表S4）。（h）PSC、PC、Cu SA-TiO₂及P25的H₂O₂生成曲线，（i）与H₂O₂生成速率直方图。（j）不同气氛对H₂O₂生成性能的影响（附图展示添加不同牺牲剂对H₂O₂生成的影响）。

图4. （a）Cu SA-TiO₂、PSC、PC和P25的光电流、（b）EIS。（c）Cu SA-TiO₂和PSC样品照射前后表面光电压。Cu SA-TiO₂、PSC和PC的（d）时间分辨荧光光谱，与（e）光致发光光谱。（f）Cu SA-TiO₂与PSC的能带结构。

图5. （a）Cu SA-TiO₂与（b）PSC的电荷密度差图。（c）Cu原子与整体接枝物的电荷转移。（d）Cu SA-TiO₂、PSC、TiO₂表面H₂沉积反应ΔG*H计算。（e）PSC与Cu SA-TiO₂的H₂热推送脱附测试。（f）吸附中间体模型示意图。

曹亚丽，博士，博士生导师，主要围绕无机功能材料的合成、性能及构效关系开展研究，先后主持包括6项国家自然科学基金在内的科研项目20余项，在Appl. Catal. B, Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Chem. Eng. J., Nano Res., Small, J. Mater. Chem. A, Green Chem., J. Energy Chem., Appl. Energy等国内外重要学术期刊上发表SCI论文200余篇，SCI正面他引6000余次，授权中国发明专利18件，曾2次获新疆维吾尔自治区科技进步一等奖、7次获新疆维吾尔自治区自然科学优秀论文奖和2019年第九届新疆青年科技奖。入选美国斯坦福大学发布的全球前2%科学家榜单（2021-2025年连续入选年度榜单，2024-2025年入选终身榜单）。

胡金豆，副教授，博士，硕士生导师。现就职于新疆大学化学学院、省部共建碳基能源资源化学与利用国家重点实验室，任自治区先进功能材料重点实验室副主任、无机与功能材料研究所副所长、化学学院教师第一党支部书记，主要从事光/电催化材料、固相合成和纳米功能材料相关研究，先后主持国家自然科学基金、新疆维吾尔自治区自然科学基金青年基金、上海合作组织科技伙伴计划及国际科技合作计划项目等基金项目。先后在Appl. Catal. B, Adv. Funct. Mater., Chinese J. Catal.等国际学术期刊上发表被SCI收录论文90余篇，他引1700余次，H因子25。相关研究成果获第十六届自治区自然科学优秀论文二等奖，中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛国家级银奖、铜奖等奖项。

Jiang X, Lu X, Hu J, et al. Silane coupling agent-induced precise anchoring of Cu single atoms and efficient electron transport channels construction to enhance photocatalytic efficiency and stability. Nano Research, 2025, 18(11): 94907859. https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907859.

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