近日，我校化学与分子工程学院朱为宏院士、张维伟教授团队在有机光催化剂分解水制氢领域取得重要研究进展。团队创新性地提出利用低成本、商业化的吐温20表面活性剂在分子纳米光催化剂表面构建了“外亲水、内疏水”的独特界面微环境，通过内层疏水微环境有效抑制分子纳米光催化剂的非辐射复合，外层亲水微环境显著提升水分解反应活性位点的可及性，从而大幅增强光催化制氢性能。相关研究成果以“Tailored Surface Microenvironment of Molecular Nanophotocatalysts for Boosting Photocatalytic Hydrogen Evolution”为题在线发表于《Advanced Materials》。

当前，全球正面临能源危机与环境污染的双重挑战，光催化分解水制氢作为一种清洁能源转化技术，展现出广阔的应用前景。有机纳米光催化剂因其分子结构可调、可见光吸收优异、激子迁移距离短及催化活性位点丰富等优势，成为该领域的研究热点。然而，受限于其疏水性芳香构筑单元及较高的表面能，有机纳米光催化剂在反应过程中易发生团聚而失活。为解决这一问题，研究者通常需要引入表面活性剂以提升其分散稳定性。然而，表面活性剂在催化剂-溶液界面所扮演的角色长期存在争议：传统观点认为，表面活性剂会在催化剂表面构筑绝缘包覆层，阻隔界面电荷输运，进而削弱光催化反应活性；另有少量研究提出，表面活性剂可优化助催化剂的负载效果。本团队前期工作也证实，不同类型表面活性剂对光催化性能存在差异化调控作用（Adv. Mater., 2025, 37, 2413440）。尽管已有上述零散结论，目前仍然缺乏表面活性剂对界面微环境的调控机理的系统研究，及其对有机光催化剂光物理特性、界面传质过程的协同作用规律，这一认知短板严重限制了高效、稳定纳米光催化体系的精准理性设计。

  针对上述瓶颈，研究团队选取给体-受体（D-A）型小分子CNP90作为模型体系，采用纳米沉淀共组装策略，成功制备了经不同表面活性剂——聚乙二醇（PEG）、吐温20（T20）及吐温80（T80）——包裹的分子纳米光催化剂。与仅具亲水性的PEG不同，吐温类表面活性剂具有独特的双亲性结构，即由亲水的聚氧乙烯链头部与亲脂的长链烷烃尾部组成。通过稳态荧光光谱、荧光量子产率、时间分辨荧光光谱及瞬态吸收光谱等系统光物理表征，研究团队发现，相较于无表面活性剂包裹的CNP90及PEG/CNP90，T20和T80包裹的CNP90表现出显著抑制的非辐射复合、增强的电荷分离效率以及明显延长的激发态寿命。以T20为例，结合分子动力学模拟进一步揭示其在CNP90界面构筑了一个两亲性界面微环境：疏水的烷基链有效保护CNP90的有机核心免受高极性水环境诱导的激发态非辐射失活，而亲水的聚氧乙烯链则通过调控界面氢键网络，强化了水-催化剂之间的相互作用层。得益于这一协同微环境工程，T20/CNP90与T80/CNP90的光催化制氢速率（HER）相较于CNP90及PEG/CNP90均获得极大提升，其中T20/CNP90表现最优，HER达到520.17 mmol g^-1h^-1，相比CNP90提升16倍，超越了目前绝大多数已报道的有机光催化体系。此外，T20/CNP90可通过涡流强化瞬时纳米沉淀法实现规模化制备，成功实现了从实验室批量筛选到宏量制备的知识迁移。同时，该共组装策略在多种光电功能分子体系中均显示出良好的普适性，显著提升了其光催化制氢活性。

总之，该研究不仅揭示了表面活性剂诱导界面微环境调控在有机纳米光催化中的关键作用机制，也为设计高效、稳定的光催化体系提供了一种低成本、简便且通用的新策略，对推动光催化清洁能源技术的发展具有重要意义。

图片说明：分子纳米光催化剂共组装吐温20表面活性剂构筑外亲水内疏水界面微环境

该工作主要由化学与分子工程学院博士研究生刘雪岩、黄海洋，化工学院博士研究生王珂共同完成，通讯作者为张维伟教授、朱为宏院士和宋震教授。研究工作得到了田禾院士的悉心指导与帮助，并获得国家自然科学基金委、教育部科学技术司、上海市科委、费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心、绿色化工与工业催化全国重点实验室等项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.73981