聚合物光催化剂激子过程调控实现高效热电子相关光催化性能

　　近日，我院谢毅教授团队在聚合物光催化剂激子过程调控的研究中取得了新进展。研究人员通过设计具有丰富有序–无序界面的半结晶氮化碳，促进了光生激子的解离，获得高效热电子相关光催化反应性能。研究成果以“Boosting Hot-electron Generation: Exciton Dissociation at the Order–disorder Interfaces in Polymeric Photocatalysts”为题发表于重要化学期刊《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.6b12878）。

　　作为半导体材料的一种重要光激发过程应用，光催化反应以其在解决能源危机和环境污染方面的巨大优势受到了广泛关注。然而，长期被忽视的半导体激子效应成为一种潜在的限制催化剂量子效率的因素。鉴于半导体光激发过程中激子与热载荷子的竞争关系，促进激子解离成热载荷子将是一种提升热载荷子产生效率的有效策略。以聚合物氮化碳为例，研究人员提出通过设计具有丰富有序–无序界面的半结晶氮化碳促进聚合物光生激子的解离，从而提升热载荷子相关光催化反应性能。

　　理论模拟显示，半结晶氮化碳中的有序–无序界面能够促进激子解离，同时特殊的能带结构利于电子沿有序链迁出和空穴在无序链中的阻断，预示着半结晶氮化碳可能存在提升的热电子相关光催化性能。实验结果显示，半结晶氮化碳具有明显提升的激子解离，相应的电子浓度和光电流分别较相应无定型材料提高7倍和5倍。得益于提升的热电子浓度，半结晶氮化碳在氧分子活化实验中展现出高效的超氧自由基生成能力。在进一步的苄醇氧化实验中，半结晶氮化碳呈现出较无定型材料3~6倍的相应醛产生，且催化性能具有较好的稳定性。上述结果说明，基于有序–无序界面的激子解离是提升聚合物催化剂的热电子相关光催化性能的有效方法。该工作不仅从激子角度更加全面地理解了聚合物光催化剂的激发过程，同时还为通过激子过程调控设计高效光催化剂提供了理论指导。