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新型分子納米光催化劑實現(xiàn)高效率準(zhǔn)均相光催化分解水制氫
2024年12月21日 13:54:03
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：楊 點擊量：5230
中國科學(xué)院院士、華東理工大學(xué)教授朱為宏與華東理工大學(xué)特聘研究員張維偉團隊創(chuàng)新性地提出了基于供體-受體結(jié)構(gòu)的分子納米光催化劑實現(xiàn)高效率準(zhǔn)均相光催化分解水制氫的方法
太陽光催化分解水制氫作為一種清潔能源技術(shù)，對解決能源危機和環(huán)境污染問題具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的有機光催化劑大多基于聚合物半導(dǎo)體材料，存在嚴重的光捕獲和激子復(fù)合損失問題，限制了光催化制氫效率的提升。
近日，中國科學(xué)院院士、華東理工大學(xué)教授朱為宏與華東理工大學(xué)特聘研究員張維偉團隊針對這一瓶頸，創(chuàng)新性地提出了基于供體-受體結(jié)構(gòu)的分子納米光催化劑實現(xiàn)高效率準(zhǔn)均相光催化分解水制氫的方法，不僅適用于光催化制氫，也可擴展應(yīng)用于其他光化學(xué)反應(yīng)工程。
該策略成功地將具有供體-受體(D-A)結(jié)構(gòu)的單組分小分子材料(4CzPN)由原始的微米級顆粒重塑為尺寸均一、形貌規(guī)整的納米有機光催化劑，粒徑約為60納米。由于表面活性劑的限域作用，該納米光催化劑可以在水相環(huán)境中均勻分散，形成準(zhǔn)均相納米光催化水溶液，其粒徑分布在至少30天內(nèi)保持穩(wěn)定。
與傳統(tǒng)的超聲分散異相催化劑相比，該準(zhǔn)均相光催化劑表現(xiàn)出光吸收性能、激子解離效率和水潤濕性的同步提升。實驗結(jié)果顯示，其光催化制氫速率提升了四個數(shù)量級，達到116.42 mmol g?¹h?¹，并且在365nm光照下的表觀量子效率(AQY)高達30.2%，位于目前單結(jié)有機光催化劑的前列。
研究團隊的創(chuàng)新之處在于使用了雙表面活性劑限域策略，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并提高了光催化反應(yīng)的穩(wěn)定性。高分辨透射電子顯微鏡(HR-TEM)和理論計算進一步表明，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，并促進光生激子的解離以及電荷的生成。
此外，為了解決納米光催化劑宏量制備的瓶頸問題，研究團隊巧妙結(jié)合了兩種納米合成方法。他們將原料需求量少的攪拌納米沉淀法(SNP)應(yīng)用于光催化的條件篩選，將原料需求量大、具有流動屬性的渦流強化瞬時納米沉淀法(FNP)應(yīng)用于光催化劑的規(guī)?；苽?，從而實現(xiàn)了從批量篩選到宏量制備的知識轉(zhuǎn)移和跨越銜接，為納米有機光催化劑的研發(fā)和生產(chǎn)提供了可靠的技術(shù)路徑。
該研究不僅揭示了催化劑形貌和界面微環(huán)境的調(diào)控對于有機光催化劑分解水反應(yīng)過程的關(guān)鍵作用，而且所提出的方法不僅適用于光催化制氫，還可擴展應(yīng)用于其他光化學(xué)反應(yīng)工程。這一研究成果為清潔能源技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力，為解決能源危機和環(huán)境污染問題提供了有力支持。
相關(guān)研究成果Efficient Quasi-Homogenous Photocatalysis Enabled by Molecular Nanophotocatalysts with Donor-Acceptor Motif于近日在國際期刊《先進材料》(Advanced Materials)上發(fā)表。
參考來源：中國科學(xué)報
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