中国科学技术大学江海龙教授团队联合罗毅教授和江俊教授团队在人工光合成研究中取得新进展。研究成果以“Dynamic structural twist in metal–organic frameworks enhances solar overall water splitting”为题，于8月12日在线发表在《自然·化学》（Nature Chemistry）上。应期刊编辑邀请，研究团队、审稿人和编辑共同撰写的研究简报（Research briefing）也在线刊登，期刊审稿人和编辑对该工作给予高度评价，称我们提出了一个“新颖、颠覆性的概念”（a novel and disruptive concept），并认为这为未来发展更高效的光催化剂提供了“令人激动的进展”（an exciting development）。
光催化全水分解制取氢气被视为化学领域的“圣杯”反应，其中一个主要限制瓶颈是光催化过程中的电子和空穴极易复合。为了抑制这种复合现象，研究者们已发展了许多策略。然而，这些经典策略多集中于催化剂的基态结构，而电子和空穴的复合则发生在激发态。自然光合作用中，电子在转移过程中光合蛋白通过构象变化来稳定电子，保证其长距离传输。受此启发，研究团队基于人工光催化剂在接受电子后发生激发态结构变化，以稳定光生电子并延长其寿命，从而实现光催化的全解水反应。
基于上述理念，研究团队选择了一种名为CFA-Zn的金属有机框架材料（MOFs），成功通过激发态结构变化延长了光生载流子的寿命，进而实现了高效的光催化全解水反应。CFA-Zn由闭壳层的Zn节点连接两种化学上相同但晶体学上不同的柔性有机配体组成。两种晶体学不同的有机配体分别作为电子供体和受体，而Zn的闭壳层结构确保了两种配体间的化学绝缘。以上特征使CFA-Zn能够创造类似植物体中动态柔性的化学微环境，通过激发态结构变化稳定激发态电子并延长其寿命。
图：通过激发态结构扭曲促进电荷分离实现光催化全水分解
近年来，江海龙教授团队围绕催化中心微环境调控方面取得了系列进展。特别是利用MOF催化剂独特的柔性结构，创造柔性自适应催化位点，实现高选择性CO2光还原到CH4（Nat. Catal. 2021, 4, 719等）。本次研究是在前期工作基础上借助动力学结构的MOF光催化剂，抑制了辐射弛豫过程，为光化学反应提供了新的视角与启示。
该论文共同第一作者是中国科大博士后孙康和特任副研究员黄炎，江海龙教授和江俊教授为共同通讯作者。罗毅教授为论文提供了建设性的意见与指导。张群教授团队为超快光谱测试、郑旭升教授团队为同步辐射测试、大连化物所范峰滔研究员为表面光电压测试等提供了重要支持。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省、中国科大、博士后基金和小米公益基金会的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-024-01599-6