近日，我校朱为宏院士与张维伟特聘研究员团队创新提出基于供体-受体结构的分子纳米光催化剂实现高效率准均相光催化分解水制氢。相关成果以“Efficient Quasi-Homogenous Photocatalysis Enabled by Molecular Nanophotocatalysts with Donor-Acceptor Motif”为题发表在国际知名期刊Advanced Materials上。
太阳光催化分解水制氢是一种清洁能源技术，对解决能源危机和环境污染问题具有重要意义。目前，大多数有机光催化剂的研究集中在聚合物半导体材料，由于其刚性的分子共轭骨架以及难以调控的聚合度，所得到的光催化剂往往是微米级的颗粒（>10微米）。考虑到光生激子在催化剂体相内的传输距离较短（<20纳米），这些粉末光催化剂存在严重的光捕获和激子复合损失，极大限制了其光催化制氢效率的提升。虽然目前报道了一些纳米化光催化剂的研究方法（例如超声剥离等），但是这些方法往往存在能耗较大、难以宏量制备等瓶颈问题。相比于聚合物半导体材料，小分子材料具有溶解度优良，便于溶液加工，以及明确的化学结构、易于纯化和批次间差异小等优势。然而，小分子光敏剂更多应用于均相光催化体系，在非均相体系中研究较少。
图片说明：基于阴阳离子双表面活性剂构筑准均相纳米催化剂以及涡流强化流动合成
为了解决上述瓶颈问题，研究团队创新性地提出了一种基于阴阳离子双面表面活性剂限域组装的策略，成功地将具有供体-受体（D-A）结构的单组分小分子材料（4CzPN）由原始的微米级颗粒“重塑”（Reshape）为尺寸均一、形貌规整的纳米有机光催化剂（~ 60纳米）。由于表面活性剂的限域，该纳米光催化剂可以在水相环境中均匀分散，形成准均相纳米光催化水溶液，其粒径分布可以在至少30天的时间内保持稳定。与传统的超声分散异相催化剂相比，该准均相光催化剂表现出光吸收性能、激子解离效率和水润湿性的同步提升，其光催化制氢速率（HER）提升了四个数量级，达到116.42 mmol g⁻¹h⁻¹，并且在365nm光照下的表观量子效率（AQY）高达30.2%，位于目前单结有机光催化剂的前列。值得一提的是，研究团队在该策略中创新使用了双表面活性剂限域，有效降低了纳米光催化剂的表面曲率和静电排斥作用，从而强化了胶束的形成并提高其光催化反应的稳定性。高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）和理论计算还表明，纳米光催化剂外层包裹的离子性表面活性剂可以提高助催化剂的负载，并促进光生激子的解离以及电荷的生成。这些研究结果共同揭示了催化剂形貌和界面微环境的调控对于有机光催化剂分解水反应过程的关键作用。
此外，为了解决纳米光催化剂宏量制备的瓶颈问题，研究团队巧妙结合了两种纳米合成方法，以适应不同的需求：将原料需求量少的搅拌纳米沉淀法（SNP）应用于光催化的条件筛选，将原料需求量大、具有流动属性的涡流强化瞬时纳米沉淀法（FNP）应用于光催化剂的规模化制备，从而实现了批量筛选到宏量制备的知识转移和跨越衔接，为纳米有机光催化剂的研发和生产提供了可靠的技术路径。本研究中的方法不仅适用于光催化制氢，也可扩展应用于其他光化学反应工程。
论文第一作者为化学学院博士生刘雪岩和博士后虞苗杰，通讯作者为张维伟特聘研究员和朱为宏院士。该研究工作得到了田禾院士的悉心指导，并得到了国家自然科学基金委、上海市科学技术委员会、材料生物学与动态化学教育部前沿科学中心、费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心等项目支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202413440
