光作为能量输入，在化学反应发生中发挥着重要作用。光电化学（PEC）水氧化是人工光合作用的重要方法之一，但将这种方法发展成实用技术仍然是一个重大挑战。这是由于该过程涉及多个复杂步骤，至少需要四个光生空穴并释放四个质子，其机理研究仍是挑战性难题。近日，波士顿学院的王敦伟教授和Matthias Waegele教授团队基于铱双原子催化剂，研究了催化剂活性位密度和表面空穴浓度如何共同影响反应动力学，并揭示了催化活性位密度在水氧化电荷积累中的重要作用。

通常来说，光电化学系统包括光吸收剂和催化剂，光吸收剂利用光子能量产生空穴，催化剂利用光生空穴氧化水。然而，表面空穴和催化位点如何共同影响水氧化动力学尚不明确，极大地阻碍了实际的太阳能水分解装置的设计。这主要是因为在已报道的催化剂中，如何调控催化活性位点密度并保持活性位结构明确是一个尚未解决的问题。王敦伟教授团队开发的铱双原子催化剂化剂体系，具有活性原子位点分散，活性位结构明确等特点，其表面催化位点密度可以通过控制合成条件来调控。表面空穴浓度可以通过调节入射光子强度和施加的电位来控制。基于此，本文研究了表面空穴和催化位点在光电化学水氧化系统中的相互作用。

研究结果表明，在低光子通量条件下，表面空穴浓度较低，与高催化位点密度电极相比，具有低催化位点密度的光电极有更快的电荷转移；在高光子通量条件下，表面空穴浓度适中或高，低催化位点密度的光电极具有更慢的表面电荷复合。这种结果归因于多电荷反应需要多个空穴积累来完成，当空穴浓度不足以支持所有催化位点的快速周转时，催化位点之间彼此竞争，并展示出对催化循环完成无益的协同行为。

鉴于太阳光照强度的昼夜变化和天气条件，低光子通量是一个实际的人工光合作用系统经常面临的情况。在此背景下，本研究的理解很可能具有重大意义。在实际的太阳能水分解装置中，优化催化剂负载量以匹配表面空穴浓度，对于实现其最佳性能是重要的。本文也为使用贵金属元素在能源应用方面提供了新的前景。