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导读
在光解水产氢气和氧气的过程，由于氧析出是一个4电子过程，被认为是整个过程的限速步骤。然而，由于其缓慢的反应速度和有效的光催化剂的缺乏，光催化全水分解仍然是一个巨大的挑战。
近日，清华大学的朱永法教授团队在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为‘’A Highly Crystalline Perylene Imide Polymer with the Robust Built-In Electric Field for Efficient Photocatalytic Water Oxidation‘’的论文。Zijian Zhang为本文的第一作者。
本文成功构建了一种高结晶的苝酰亚胺聚合物（Urea-PDI）光催化剂。由于其大面积的共轭体系，Urea-PDI具有宽光谱响应。
在可见光下，Urea-PDI在没有催化剂的情况下，表现出迄今为止最高的产氧量（3223.9 µmol g-1 h-1）。该性能是传统PDI超分子光催化剂的107.5倍以上。强烈的氧化能力来自于共价键共轭分子贡献的深价带(+1.52 eV)。
此外，Urea-PDI的高结晶度和大分子偶极子有助于形成强大的内置电场，促进光生载体的分离和运输。
此外，Urea-PDI非常稳定，在连续照射100小时后也没有性能衰减。Urea-PDI高分子光催化剂为光催化水氧化的使用提供了新的平台，有望为清洁能源的推广做出贡献。
背景简介
多年来，新型光催化材料被开发出来，以高效地将水分裂成氢气和氧气，实现太阳能的可持续转化和利用，但大多数光催化剂都集中在由导带（CB）中的光生电子贡献的产氢还原半反应。在裂解水生成氢气和氧气的过程，由于水裂解产氧是一个4电子过程，该过程被认为是限速步骤。
然而，由于其缓慢的反应速度和有效的光催化剂的缺乏，氧析出仍然是一个巨大的挑战。因此，光催化整体水裂解的大规模应用还有很长的路要走。在价带（VB）中由光生空穴引起的氧化半反应的研究具有重要意义，只是因为它可以为整体水分裂和光化学转化提供有力的补充。此外，对氧化半反应的认识对于整个光催化反应机理也很重要。
目前，大多数H2/O2演化的光催化材料都需要贵金属催化剂的参与来活化水分子并降低过电位，但这些金属资源较少，价格昂贵。因此，从长远来看，开发新型光催化剂以克服辅助催化剂的局限性具有重要意义。新型光催化剂应具有超过水分解电位(+1.23 vs NHE)的合适能带位置，以保证反应在热力学上可行并且新型光催化剂应有效地分离和运输光生载体，以确保反应在动力学上可行。
研究者已发现光催化剂的能带和内置电场可以通过分子的前沿轨道能级和偶极子来调节。但由于非共价键(π-π相互作用和氢键)的弱相互作用，超分子材料在反复反应中被轻微解构，导致性能下降。
核心内容
本文成功构建了高效的Urea-PDI聚合物光催化剂。在不使用催化剂的情况下，Urea-PDI在可见光下实现了3223.9 μmol g-1 h-1的最高产氧量，其AQY(450 nm)高达3.86%。
Urea-PDI适当的能带结构为其水分解产氧的能力强做出了贡献。
优良的结晶和大分子偶极子促成了强大的内置电场，促进了材料内部光生载流子的分离和运输。
Urea-PDI可以稳定地重复使用，连续辐照100 h以上而性能不下降。该工作为解决未来新型高分子光催化剂的可持续能源生产提供了新思路。
图2.Urea -PDI可高效释放光催化氧气。
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