超薄二维共轭高分子高效光解水

据MaterialsViews报道：太阳能和水是地球上最丰富的资源，在半导体催化剂作用下利用太阳能将水分解产生氢气是制备氢能源的有效途径之一。共轭高分子半导体材料具有分子、电子结构可控、吸光截面较大以及合成成本较低等优点。近年来，发展共轭高分子半导体材料应用于光催化分解水制氢方面的研究越来越受到重视。然而，目前共轭高分子光催化剂只能实现在牺牲剂存在下光催化产氢，因此，发展出能够在可见光（> 400 nm）下进行有效纯水分解的有机高分子半导体光催化剂在基础科学研究以及太阳能利用领域仍然是一个亟待解决的重要挑战。

最近，中国科学技术大学徐航勋和武晓君团队报道能够在可见光下实现光催化纯水分解的二维共轭高分子半导体光催化剂。研究者以1,3,5-三(4-乙炔苯基)苯（TEPB）和1,3,5-三乙炔苯 (TEB）为构建单元，通过简单的Glaser coupling反应通过炔炔偶联得到具有超薄片层形貌的高分子纳米片PTEPB和PTEB。紫外可见漫反射光谱测定两种光催化剂的带隙均小于3 eV，满足可见光催化。第一性原理计算以及同步辐射光电子能谱表征指出所得到的PTEPB和PTEB能带结构非常适合光催化纯水分解反应。同时，独特的二维超薄结构可以使得光生电子与空穴能够快速分离并很容易到达片层结构表面分别发生还原和氧化反应。以上特征使得PTEPB以及PTEB能在可见光照射下分解纯水（即不含通常所需的牺牲剂和助催化剂）产生H2和O2，从而高效率地将太阳能转换成氢能。使用全光谱测量的太阳能到氢气的转换效率最高可达0.6 ％，大大超过了植物通过光合作用将太阳能转化为生物质的效率 （全球平均值〜0.10 ％）。同时，第一性原理计算结果表明PTEPB和PTEB在可见光照射下发生全光解水热力学上是可行的，并且两者结构中所含有1,3-二炔基团为全光解水反应提供有效的活性位点，证实1,3-二炔基团在调控分子电子结构和提供反应活性位点方面至关重要。这项研究为今后设计与合成共轭高分子半导体材料在光催化产氢方面提供了新的思路，相关结果发表在Advanced materials（DOI: 10.1002/adma.201702428）上。