近日，华东理工大学化学与分子工程学院费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心花建丽教授和英国利物浦大学Andrew Cooper教授在共轭杂环大环化合物用于光催化制氢领域取得重要突破。相关成果发表于中国化学会旗舰刊CCS Chemistry《中国化学会化学》。
氢能作为一种清洁、可持续的能源载体，在未来能源体系中具有重要应用前景。利用太阳能驱动水分解制备氢气，是实现太阳能转化与绿色能源储存的重要途径。近年来，有机共价框架（COFs）等有机光催化材料凭借结构可设计、功能可调等优势，在光催化析氢领域取得了重要进展。作为COFs的最小结构单元，共轭有机大环具有明确的分子结构、可调控的几何拓扑以及良好的溶液加工特性，为深入研究光催化材料中的结构–性能关系提供了理想模型。通过调控大环拓扑结构与对称性，有望揭示分子结构对激发态行为、光生电荷分离及传输过程的影响。然而，目前兼具高稳定性、优异光吸收能力和可调激发态性质的共轭大环体系仍较少，其在异相光催化析氢中的应用也尚未得到充分探索。
依托大环体系良好的溶液加工特性，研究人员进一步对其分子态及聚集态激发态行为进行了系统研究。结合时间依赖密度泛函理论（TD-DFT）计算与瞬态吸收光谱分析发现，大环的几何构型和对称性能够显著影响激发态电子分布及电荷动力学过程。相比亚胺大环，杂环大环具有更加离域的电子分布和更长的激发态寿命。在实际光催化反应条件下，咪唑基三角形大环聚集体中观察到长寿命电子极化子信号，表明分子间相互作用促进了电荷离域与迁移，从而增强了光生电荷分离效率。
综上，该研究构建了具有高稳定性和结构可调性的共轭大环体系，揭示了分子对称性对激发态行为和光催化性能的调控机制，为从分子尺度理解有机光催化材料中的结构–性能关系提供了新的研究平台。该工作也为未来设计兼具有序结构、高效电荷传输能力和优异光催化性能的新型有机材料提供了重要理论依据和设计策略。
论文链接：https://www.chinesechemsoc.org/doi/10.31635/ccschem.026.202607343