自工业革命以来，人类向地球大气中排放大量的温室气体二氧化碳，气候变暖、冰川消融等环境问题日益突出，严重制约着人类的生存和发展。在碳达峰、碳中和的背景下，清洁氢能已经成为未来能源的重要方向。因为氢燃烧仅产生水，氢能被视为一种清洁、高效、安全、可持续的绿色能源。目前，制氢的主要方法是化石燃料制氢和电解水制氢，这两种方法都需要消耗传统的能源，对环境造成持续污染。光催化制氢作为新型制氢方法，能够高效将一次能源太阳能转化为可储存的清洁能源。光催化分解水制氢被视为解决全球性能源与环境问题的理想途径之一。
然而，光催化制氢材料主要是基于地球上丰富的过渡金属类半导体，这些过渡金属在酸性析氢环境中通常不稳定。相比较而言，有机半导体具备易于电子结构调整以及加工成器件的柔性等诸多优势，因此更适合于开发为高效光催化剂。光催化制氢活性主要依赖于水还原的热力学条件、光生电荷分离和表面反应效率。目前，大多数研究工作都集中在这些方面。然而，由于光催化活性不理想，光催化制氢技术的进一步商业发展仍受到限制。鉴于此，研究者以有机分子结构工程为基础，设计一种集增强的还原电位、电荷驱动力和表面催化反应于一体的有机光催化剂，以期获得高效的光催化分解水制氢性能。
团队联合研究开发了一种厚度约为1.5纳米的单分子层超分子苝四羧酸（PTA）纳米片作为光催化析氢催化剂。为了实现载流子的各向异性分离，在PTA分子中构建了从苝中心到羧基边界的强偶极，诱导苝中心指向羧基边界的内建电场增强10.3倍。通过对动力学、热力学条件和表面反应条件的合理优化，获得的PTA纳米片具有较好的光催化活性，其光催化制氢活性媲美热催化脱氢速率，达到118.9毫摩尔每小时每克。此外，得益于有机材料的柔性，PTA与无纺布牢固结合制备成器件，光照下依旧保持优异的产氢性能，有望为碳达峰、碳中和目标的顺利实现作出实质性贡献。这项工作为未来高效的分子结构设计工程提供了参考策略。
该研究工作获得国家自然科学基金和国家重点研发项目的资助。我校为第一署名单位，南军教授课题组博士生郭燕为论文第一作者。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-29826-z
PTA 纳米片的结构表征
内建电场驱动光生载流子的各向异性迁移
PTA纳米片光催化HER的原理示意图
编辑：商艳凯
