太阳光催化分解水制氢作为一种清洁能源技术，对解决能源危机和环境污染问题具有重要意义。然而，传统的有机光催化剂大多基于聚合物半导体材料，存在严重的光捕获和激子复合损失问题，限制了光催化制氢效率的提升。
近日，中国科学院院士、华东理工大学教授朱为宏与华东理工大学特聘研究员张维伟团队针对这一瓶颈，创新性地提出了基于供体-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。
该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为尺寸均一、形貌规整的纳米有机光催化剂，粒径约为60纳米。由于表面活性剂的限域作用，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，其粒径分布在至少30天内保持稳定。
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。实验结果显示，其光催化制氢速率提升了四个数量级，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。
研究团队的创新之处在于使用了双表面活性剂限域策略，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了光催化反应的稳定性。高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)和理论计算进一步表明，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。
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。他们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，从而实现了从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。
该研究不仅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，而且所提出的方法不仅适用于光催化制氢，还可扩展应用于其他光化学反应工程。这一研究成果为清洁能源技术的发展注入了新的活力，为解决能源危机和环境污染问题提供了有力支持。
相关研究成果Efficient Quasi-Homogenous Photocatalysis Enabled by Molecular Nanophotocatalysts with Donor-Acceptor Motif于近日在国际期刊《先进材料》(Advanced Materials)上发表。
参考来源：中国科学报
作者：杨
