Advanced Functional Materials:常温常压下具有高可见光催化制氢性能的分子异质结复合光催化剂

光催化分解水制氢是一种能实现太阳能-氢能直接相互转化的新技术,在氢能源发展中扮演着越来越重要的角色。类石墨相氮化碳(PCN)作为光催化剂的明星材料,具有制备简单、物理化学性质稳定、环境友好等诸多优点,引起了光催化工作者们的广泛关注。然而,PCN本身的电子结构导致其可见光吸收范围窄、光生载流子复合几率高,严重限制了PCN在光催化制氢领域的发展。此外,对于PCN光催化制氢的研究大多局限于真空条件,大大提高了光催化制氢的成本,限制了其工业化应用的进程。深圳大学时玉萌教授、新加坡国立大学徐清华教授及其研究团队针对这一问题,在常温常压光催化制氢方面的研究取得重要进展。相关结果发表在Advanced Functional Materials上(DOI: 10.1002/adfm.202005106)。

在当前构建PCN基复合光催化剂的各类方法中,与Donor-Acceptor类有机半导体相结合构建聚合物异质结被认为是最有效的方法之一,然而,形成的聚合物异质结之间接触面积小,很难大幅度提高复合材料之间光生载流子的转移和分离。为了更好的解决这一问题,该团队以PCN作为基底材料,选择修饰含有三苯胺(triphenylamine)、苯环(benzene ring)和苯并噻二唑(benzothiadiazole)单元的Donor-π-Acceptor有机小分子,构建了Type Ⅱ型分子异质结复合光催化剂。有机小分子与PCN具有相似的π共轭结构,通过π-π堆积作用,均匀的分散在PCN表面,极大地提升了分子异质结之间的接触面积。Donor-π-Acceptor小分子的修饰大大提高了复合光催化剂在可见光区的吸收性能。在该分子异质结中,光生载流子分离效率的大大提升主要来源于两个方面:(1)Type Ⅱ型分子异质结中的能极差促使电子转移至PCN,空穴转移至有机小分子;(2)三苯胺单元作为电子给体与空穴受体能加快传递电子和捕获空穴。光吸收性能与光生载流子分离效率的同时提升,极大地提高了复合光催化剂的光催化制氢性能。常温常压模拟太阳光条件下,光催化制氢速率高达4.63 mmol h-1 g-1,均高于文献报道的PCN基光催化剂在常温常压下的光催化制氢性能。

该工作构建的PCN分子异质结复合光催化剂,实现了在常温常压下高活性分解水制氢,有望实现PCN基光催化剂在光催化制氢领域中的工业化。