西安交大團隊設計新型光催化分子,為太陽能轉化提供高效產氫新策略

 近期,西安交通大學何剛教授課題組通過提出創新的分子設計策略,在光催化製氫領域獲得進展。研究人員合成了一種新型含硒紫精四陽離子配位環蕃,這種新型化合物在可見光驅動下展現出了卓越的光催化產氫性能。

具體來說,其產生了高氫氣產量(132μmol)、生成速率(11μmol/h)、轉換數(221)和表觀量子產率(1.7%),為太陽能轉換提供了一種簡單、高效的光催化策略。

與傳統的光催化體系相比,這種新型分子的顯著優勢在於其集光敏劑、電子轉移劑和催化中心於一體,只需使用該分子就能實現高效率循環製氫,而無需額外添加任何物質。

這種方法非常環保且高效,它不像傳統方法那樣需要大量添加鉑等貴金屬納米顆粒,這些貴金屬不僅成本高昂,還可能導致重金屬浪費和環境汙染等問題。

該論文通訊作者何剛教授表示:「我們的分子設計使得金屬催化中心與分子結構緊密結合為一個整體。這種設計避免了傳統的納米顆粒容易沉積或流失的問題,並實現了高效的循環利用。當分子達到使用極限時,整個分子可以被過濾或處理,從而避免了環境汙染。」

圖丨 Angewandte Chemie International Edition 當期後封面(來源:Angewandte Chemie International Edition

西安交通大學博士研究生李乃垚和助理教授李亞雯是共同第一作者,何剛教授擔任通訊作者。

圖丨相關論文(來源:Angewandte Chemie International Edition

何剛課題組的主要研究方向包括太陽能轉化、大規模儲能技術和光動力生物材料應用等。該團隊在前期工作的基礎上,持續進行了一系列研究。

早在 2018 年,他們就發表了該系列研究的第一篇論文,並展示了將光敏劑和電子轉移劑放在一個體系中的初步成果,但當時還需要額外添加金屬納米顆粒作為催化中心,無法實現高效的定向電子轉移。

之後,經過不斷地對結構進行修飾和優化,他們在 2023 年完成了目前具有高度對稱結構的分子設計,實現了催化效率的顯著提升。但不可忽視的是,如何將整個催化體系的組分集成在同一體系中仍然是一個挑戰。

該光催化分子融合了雙吡啶鉑(II)和含硒紫精,展現出優異的氧化還原特性、較小的能量帶隙,以及在可見光區域(370-500 納米)的強吸收能力。

在該研究中,設計新型分子不僅包含了光敏劑和電子轉移劑,還集成了催化中心。據介紹,這是第一次將光催化系統的各個組成部分整合到環狀化合物結構中,並通過調控電子在各組分間的定向轉移,大幅提升了光催化分解水製氫的效率。

何剛解釋說道:「這種設計類似於堆積木,通過將不同的模塊堆疊在同一個分子上,限制了它們之間的距離和方向性,從而提高了電子轉移的效率。這樣的分子設計有助於減少電子轉移過程中的損耗,並提升了催化效率和產品性能。」

圖丨光催化製氫的效率受到電子轉移速率的限制(來源:Angewandte Chemie International Edition

以往的研究主要集中在均相催化上,即分子都是可溶的。但在該研究中,研究人員嘗試了非均相催化的新方法。

最初,他們並沒有特意將分子設計成非定向催化的形式,而是在得到分子後直接進行了非定向催化的實驗,結果發現效果非常好。

「實際上,實驗結果對我們來說是一個‘意外的驚喜’,因為非均相催化通常被認為性能不如均相催化。這個意外的發現讓我們認識到,非均相催化也能實現顯著的性能提升。」何剛說。

圖丨何剛教授課題組(來源:該課題組)圖丨何剛教授課題組(來源:該課題組)

分子合成的複雜性和成本,仍然是限制該技術產業化的主要因素。目前,該研究還處於實驗室階段,儘管研究人員已經設計出了一個接近完美的分子,但需要瞭解的是,其在合成過程中存在產率較低的問題,直接影響著未來大規模生產的可行性。

該團隊的目標是將這種分子設計應用於實際生產中。在接下來的研究階段,該課題組致力於降低合成成本,將嘗試用更便宜的金屬替代貴金屬鉑,並探索使用細菌或酶等生物體系作為催化中心,以實現更環保和更高效的催化循環。

何剛舉例說道:「我們可以利用細菌的自然特性來促進氫氣的生產,這種方法不僅可減少對貴金屬的需求,還能夠利用環境中的細菌實現循環利用,既能在不使用金屬的情況下產氫,也能抗菌。」

與此同時,他們也會繼續嘗試優化分子設計,包括提升新型光催化分子的光學和電學性能、簡化催化體系、降低成本等,以期在未來能夠實現產業化。

參考資料:參考資料:

1.Naiyao Li,Yawen Li et al.Directional Electron Flow in a Selenoviologen-Based Tetracationic Cyclophane for Enhanced Visible-Light-Driven Hydrogen Evolution. Angewandte Chemie International Edition(2024). https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202410525

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