近日，我校化学与分子工程学院田禾院士团队花建丽教授在有机聚合物光催化硝酸盐还原制氨领域取得重要进展，相关成果以“Dual-Quenching Charge Transfer Unlocks Record Nitrate-to-Ammonia Photocatalytic Conversion in Redox-Active Eosin Y”为题发表于Advanced Materials 期刊。
硝酸盐污染广泛存在于水体环境中，不仅带来严重的生态风险，也为资源化利用提供了重要机遇。将硝酸盐高效转化为氨（NH3），有助于实现水体净化与绿色氮循环，因而受到广泛关注。然而，传统光催化体系普遍面临电荷分离效率低、电子传输路径受限以及副反应竞争等关键问题，限制了整体催化性能的进一步提升。因此，发展具有高效电荷调控能力的新型有机光催化材料，并探究其光生电荷调控与催化过程的内在机制，具有重要的科学价值。
图片说明：基于氧化还原活性曙红Y单元的聚合物光催化硝酸盐制氨示意图
在光催化硝酸盐还原过程中，光生电荷易发生复合以及多电子转移效率低是限制催化性能提升的关键因素。针对这一问题，花建丽教授团队将具有可逆氧化还原活性的曙红Y（EY）单元引入共轭聚合物骨架，构建了一系列EY基聚合物光催化剂。研究发现，EY单元能够在光照下形成长寿命自由基阴离子（EY•-），为硝酸盐还原提供持续电子来源；同时，催化剂与硝酸根之间形成的基态复合物可实现底物预组织并促进定向电子转移。上述两种过程协同构建了静态猝灭与动态猝灭双路径电荷转移机制，有效促进了光生电荷分离与利用。得益于这一机制，EY-BE光催化剂实现了高效硝酸盐光催化制氨，在无助催化剂条件下氨生成速率达到215 μmol g-1 h-1，选择性为93.6%，性能达到目前已报道纯有机聚合物光催化剂的领先水平之一。
图片说明：基于EY-BE的多尺度谱学与原位表征：静态-动态双路径电荷转移
紫外吸收光谱、荧光猝灭实验以及纳秒/飞秒瞬态吸收光谱表明，EY-BE与硝酸根之间同时存在静态猝灭和动态猝灭过程。其中，硝酸根与催化剂形成的基态复合物诱导静态猝灭，而光激发产生的长寿命阴离子自由基EY•-则驱动动态猝灭，两者协同促进了光生电荷的分离与传输。电子顺磁共振（EPR）谱证实了EY•-自由基的生成。原位漫反射傅里叶变换红外光谱（in situ DRIFTS）进一步表明，在光照条件下EY•-能够参与硝酸盐还原反应，实现硝酸盐向氨的逐步转化。上述实验结果揭示了静态猝灭与动态猝灭协同作用的双路径电荷转移机制，为高效光催化硝酸盐制氨提供了新的设计思路。
近年来，花建丽课题组在有机光催化剂的设计及其用于太阳能燃料绿色合成方面，取得了一系列进展。团队提出引入氧化还原活性吩嗪单元构建多孔有机聚合物的策略，利用其可逆的氧化还原互变过程储存和传递电子，有效抑制光生电荷复合，提升光催化全合成H2O2性能（Chem. Sci., 2024, 15, 11972）。同年，将邻苯二酚引入COF骨架，实现超长效电荷存储，抑制电荷复合，太阳能转化效率达0.84% （ACS Catal., 2024, 14, 7736，ESI高被引）。2025年，在含吡咯并吡咯二酮发色团的COF中引入亲水羧基，构建氢键网络，增强N2富集与活化能力，降低NH₃生成能垒，提升光催化固氮性能（Applied Catalysis B: Environmental, 2025, 366）。此外，通过后功能化策略将氰基转化为强亲水偕胺肟基团，在COF材料内部构筑氢键网络传输通道，高效合成H2O2（Adv. Sci., 2025, 2415194，ESI高被引）。2026年，团队进一步提出分子轨道工程与氢键网络工程双重调控策略，实现吩嗪基COF材料在碱性条件下光催化高效合成H2O2性能（Chem. Sci., 2026, 17, 6456）。
华东理工大学博士生张佳艺、陈鼎铭为论文共同第一作者，华东理工大学花建丽教授、周敏特聘副研究员以及同济大学胡可教授为论文共同通讯作者；该研究工作得到田禾院士的悉心指导，并获得国家自然科学基金委、上海市科技重大专项、教育部材料生物学与动态化学前沿科学中心、费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心等项目资金的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.73686