近日，国际著名学术期刊《先进功能材料》以研究论文形式在线报道了我校化学与分子工程学院田禾院士和花建丽教授团队在太阳能光解水制氢领域上的重要研究进展，论文题为“Molecular Engineering of Donor-AcceptorConjugated Polymer/g-C3N4 Heterostructures for Significantly Enhanced Hydrogen Evolution under Visible–light Irradiation” (Adv. Funct. Mater. 2018, 1804512; 原文链接: https://doi.org/10.1002/adfm.201804512)。
太阳能驱动半导体光催化制氢被视为解决清洁能源制备和环境问题的理想途径之一。目前，光催化制氢材料主要集中在无机半导体，但这些传统的光催化材料存在可见光响应弱、制备条件苛刻及资源短缺等问题。相对于无机半导体光催化剂，有机半导体光催化剂具有合成方法多样、易功能化修饰、能带结构和电子易调控等诸多优势，使其在光催化制氢领域具有巨大的应用潜力。尤其是近几年发展起来的有机共轭聚合物材料，由于其合成方法的多样性和单体选择的广泛性，赋予了有机共轭聚合物化学结构和电子性能的易调控特性，成为一类新型的有机光催化材料，吸引了众多的研究关注。此外，石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种新兴的有机半导体，有着优异的光电化学性能，被广泛应用于光催化制氢，但其对可见光的捕获能力较弱以及表面电子-空穴容易复合的缺点，大大限制了其制氢性能。因此，在g-C3N4光催化界面中如何有效地吸收光能并实现高效的光生载流子的分离与利用是光电界面化学研究领域的重要挑战之一。花建丽教授课题组在前期通过染料敏化半导体改善光催化剂光捕获能力和电子-空穴分离效率，提高制氢性能 (ChemSusChem. 2014, 7, 2879; Dyes. Pigm. 2017, 139, 7; J. Energ. Chem. 2018, 27, 728;ChemElectroChem. DOI:10.1002/celc.201801038；Appl. Catal. B: Environmental. 2018, 237, 32)的研究基础上, 进一步提出了有机共轭聚合物/g-C3N4异质结的分子工程策略提高光解水制氢性能。在该项工作中，研究者设计合成了三个具有不同电子供体和苯并噻二唑受体结构单元的有机共轭聚合物半导体光催化剂，通过改变共轭骨架中电子供体基团，实现有机共轭聚合物带隙的调控，从而提高有机聚合物/g-C3N4异质结光催化活性。研究表明，在聚合物共轭骨架中引入强的电子供体（N-杂苝基团）可大大降低聚合物的能隙带宽，提高聚合物异质结光催化剂对可见光的有效吸收，同时构成的Type II型异质结进一步促进了电子-空穴的分离，使其表观量子产率（AQY）在520 nm处高达27.32%，取得有机聚合物/g-C3N4异质结光催化剂制氢最高AQY。此工作为有效提高有机共轭聚合物的光催化性能提供了潜力巨大的设计空间与制备策略，并为其它类型的高效稳定聚合物半导体光催化剂 (如：MOFs、COFs和CTFs等)的开发提供了新思路。
该研究工作在花建丽教授和龚学庆教授的指导下，由博士生余峰涛和王志强等完成，同时获得了田禾院士的大力支持和悉心指导。该研究成果得到了国家自然科学基金、基金委创新研究群体、中央高校基本科研业务费专项资金以及111引智计划等项目资助。