近日，國際著名學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)功能材料》以研究論文形式在線報(bào)道了華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院田禾院士和花建麗教授團(tuán)隊(duì)在太陽能光解水制氫領(lǐng)域上的重要研究進(jìn)展，論文題為“Molecular Engineering of Donor-AcceptorConjugated Polymer/g-C3N4 Heterostructures for Significantly Enhanced Hydrogen Evolution under Visible–light Irradiation” (Adv. Funct. Mater. 2018, 1804512）。
太陽能驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體光催化制氫被視為解決清潔能源制備和環(huán)境問題的理想途徑之一。目前，光催化制氫材料主要集中在無機(jī)半導(dǎo)體，但這些傳統(tǒng)的光催化材料存在可見光響應(yīng)弱、制備條件苛刻及資源短缺等問題。相對(duì)于無機(jī)半導(dǎo)體光催化劑，有機(jī)半導(dǎo)體光催化劑具有合成方法多樣、易功能化修飾、能帶結(jié)構(gòu)和電子易調(diào)控等諸多優(yōu)勢(shì)，使其在光催化制氫領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。尤其是近幾年發(fā)展起來的有機(jī)共軛聚合物材料，由于其合成方法的多樣性和單體選擇的廣泛性，賦予了有機(jī)共軛聚合物化學(xué)結(jié)構(gòu)和電子性能的易調(diào)控特性，成為一類新型的有機(jī)光催化材料，吸引了眾多的研究關(guān)注。此外，石墨相氮化碳(g-C3N4)作為一種新興的有機(jī)半導(dǎo)體，有著優(yōu)異的光電化學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于光催化制氫，但其對(duì)可見光的捕獲能力較弱以及表面電子-空穴容易復(fù)合的缺點(diǎn)，大大限制了其制氫性能。因此，在g-C3N4光催化界面中如何有效地吸收光能并實(shí)現(xiàn)高效的光生載流子的分離與利用是光電界面化學(xué)研究領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)之一。
花建麗教授課題組在前期通過染料敏化半導(dǎo)體改善光催化劑光捕獲能力和電子-空穴分離效率，提高制氫性能 (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)的研究基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步提出了有機(jī)共軛聚合物/g-C3N4異質(zhì)結(jié)的分子工程策略提高光解水制氫性能。
在該項(xiàng)工作中，研究者設(shè)計(jì)合成了三個(gè)具有不同電子供體和苯并噻二唑受體結(jié)構(gòu)單元的有機(jī)共軛聚合物半導(dǎo)體光催化劑，通過改變共軛骨架中電子供體基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)有機(jī)共軛聚合物帶隙的調(diào)控，從而提高有機(jī)聚合物/g-C3N4異質(zhì)結(jié)光催化活性。研究表明，在聚合物共軛骨架中引入強(qiáng)的電子供體（N-雜苝基團(tuán)）可大大降低聚合物的能隙帶寬，提高聚合物異質(zhì)結(jié)光催化劑對(duì)可見光的有效吸收，同時(shí)構(gòu)成的Type II型異質(zhì)結(jié)進(jìn)一步促進(jìn)了電子-空穴的分離，使其表觀量子產(chǎn)率（AQY）在520 nm處高達(dá)27.32%，取得有機(jī)聚合物/g-C3N4異質(zhì)結(jié)光催化劑制氫最高AQY。此工作為有效提高有機(jī)共軛聚合物的光催化性能提供了潛力巨大的設(shè)計(jì)空間與制備策略，并為其它類型的高效穩(wěn)定聚合物半導(dǎo)體光催化劑 (如：MOFs、COFs和CTFs等)的開發(fā)提供了新思路。
該研究工作在花建麗教授和龔學(xué)慶教授的指導(dǎo)下，由博士生余峰濤和王志強(qiáng)等完成，同時(shí)獲得了田禾院士的大力支持和悉心指導(dǎo)。該研究成果得到了國家自然科學(xué)基金、基金委創(chuàng)新研究群體、中央高；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金以及111引智計(jì)劃等項(xiàng)目資助。
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