華東理工大學朱爲宏院士與張維偉特聘研究員團隊光催化綠氫製備研究新進展

導讀

近日，華東理工大學朱爲宏院士與張維偉特聘研究員團隊創新提出基於供體-受體結構的分子納米光催化劑實現高效率準均相光催化分解水制氫。相關成果以“Efficient Quasi-Homogenous Photocatalysis Enabled by Molecular Nanophotocatalysts with Donor-Acceptor Motif”爲題發表在國際知名期刊Advanced Materials上。

太陽光催化分解水制氫是一種清潔能源技術，對解決能源危機和環境污染問題具有重要意義。目前，大多數有機光催化劑的研究集中在聚合物半導體材料，由於其剛性的分子共軛骨架以及難以調控的聚合度，所得到的光催化劑往往是微米級的顆粒（>10微米）。考慮到光生激子在催化劑體相內的傳輸距離較短（<20納米），這些粉末光催化劑存在嚴重的光捕獲和激子複合損失，極大限制了其光催化制氫效率的提升。雖然目前報道了一些納米化光催化劑的研究方法（例如超聲剝離等），但是這些方法往往存在能耗較大、難以宏量製備等瓶頸問題。相比於聚合物半導體材料，小分子材料具有溶解度優良，便於溶液加工，以及明確的化學結構、易於純化和批次間差異小等優勢。然而，小分子光敏劑更多應用於均相光催化體系，在非均相體系中研究較少。

圖片說明：基於陰陽離子雙表面活性劑構築準均相納米催化劑以及渦流強化流動合成

爲了解決上述瓶頸問題，研究團隊創新性地提出了一種基於陰陽離子雙面表面活性劑限域組裝的策略，成功地將具有供體-受體（D-A）結構的單組分小分子材料（4CzPN）由原始的微米級顆粒“重塑”（Reshape）爲尺寸均一、形貌規整的納米有機光催化劑（~ 60納米）。由於表面活性劑的限域，該納米光催化劑可以在水相環境中均勻分散，形成準均相納米光催化水溶液，其粒徑分佈可以在至少30天的時間內保持穩定。與傳統的超聲分散異相催化劑相比，該準均相光催化劑表現出光吸收性能、激子解離效率和水潤溼性的同步提升，其光催化制氫速率（HER）提升了四個數量級，達到116.42 mmol g⁻¹h⁻¹，並且在365nm光照下的表觀量子效率（AQY）高達30.2%，位於目前單結有機光催化劑的前列。值得一提的是，研究團隊在該策略中創新使用了雙表面活性劑限域，有效降低了納米光催化劑的表面曲率和靜電排斥作用，從而強化了膠束的形成並提高其光催化反應的穩定性。高分辨透射電子顯微鏡（HR-TEM）和理論計算還表明，納米光催化劑外層包裹的離子性表面活性劑可以提高助催化劑的負載，並促進光生激子的解離以及電荷的生成。這些研究結果共同揭示了催化劑形貌和界面微環境的調控對於有機光催化劑分解水反應過程的關鍵作用。

此外，爲了解決納米光催化劑宏量製備的瓶頸問題，研究團隊巧妙結合了兩種納米合成方法，以適應不同的需求：將原料需求量少的攪拌納米沉澱法（SNP）應用於光催化的條件篩選，將原料需求量大、具有流動屬性的渦流強化瞬時納米沉澱法（FNP）應用於光催化劑的規模化製備，從而實現了批量篩選到宏量製備的知識轉移和跨越銜接，爲納米有機光催化劑的研發和生產提供了可靠的技術路徑。本研究中的方法不僅適用於光催化制氫，也可擴展應用於其他光化學反應工程。

論文第一作者爲化學學院博士生劉雪巖和博士後虞苗傑，通訊作者爲張維偉特聘研究員和朱爲宏院士。該研究工作得到了田禾院士的悉心指導，並得到了國家自然科學基金委、上海市科學技術委員會、材料生物學與動態化學教育部前沿科學中心、費林加諾貝爾獎科學家聯合研究中心等項目支持。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202413440

來源：華東理工大學