黄维扬/宋军/曾昱嘉/钱鹏程教授AS：低铂含量下聚铂炔作为g-C3N4高效电子给体的太阳光催化制氢- 大数跨境

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黄维扬/宋军/曾昱嘉/钱鹏程教授AS：低铂含量下聚铂炔作为g-C3N4高效电子给体的太阳光催化制氢

科学材料站

2021-01-13

导读：该工作介绍了一种聚铂炔修饰的石墨氮化碳(g-C3N4) 本体异质结结构，有望替代高成本的贵金属辅助光催化剂。

文章信息

低铂含量下聚铂炔作为g-C3N4高效电子给体的太阳光催化制氢

第一作者：周炫

通讯作者：黄维扬*，宋军*，曾昱嘉*，钱鹏程*

单位：香港理工大学，深圳大学，温州大学

研究背景

由于人工光合燃料具有应对全球能源和环境危机方面的潜力，它引起了科学界极大的研究兴趣。水分解制氢是一种清洁、经济、高效的方式转换、储存和利用太阳能的技术。一种光催化生成氢气的系统应该具备光活性、催化活性和稳定性。许多半导体材料具有合适的能带边缘，如氧化锌、二氧化钛、有机染料、和石墨氮化碳(g-C3N4)）等，它们具有光活性以实现光收集功能，但它们由于具有较高的过电势从而对氢气的生成呈动力学惰性。

相对而言，许多金属和金属配合物的光活性较低，如铂、钯、钴、二氧化锰、钌、和铂(II)配合物）等，但它们却具有催化活性高的优点，并且它们活化分子所需的过电势也低。因此，一种有效的策略是将光活性和催化活性的材料共同组装成驱动光催化氢气释放反应的高效电子给体-受体系统。在过去的几十年中，贵金属（特别是铂）被广泛用作最有效的共催化剂，它们虽然成本高昂而稀有，但它们通常具有比非贵金属更低的分解水过电势。

导师专访

该领域目前存在的问题？这篇文章的重点、亮点。

太阳能具有取之不尽用之不竭的优点，因此可作为维系人类社会可持续发展的能源。水分解产氢可以通过水-氢气的循环转化完成能量的存储与释放，从而完全避免了化石能源与碳排放对环境的污染同时提供了高效而干净的氢能源。

这两方面的因素是发展光催化产氢的原动力，当前光催化制氢技术主要受制于器件性能的提升以及贵金属的大量使用，这导致科学家开始思考光催化的经济成本问题。目前，科学界主要希望通过利用地球丰富元素与化合物、有机染料等材料来取代贵金属。

本文则尝试把贵金属元素嵌入共轭聚合物形成金属有机材料，从而达到降低贵金属使用量的目的。由于共轭聚合物具有光学与导电性上的一些特点，我们发现这些材料也可以明显的提升光催化材料的产氢性能。

文章简介

近日，香港理工大学黄维扬教授、深圳大学宋军与曾昱嘉教授、以及温州大学钱鹏程教授在Advanced Science (影响因子：15.840)上发表了题为“Solar-Driven Hydrogen Generation Catalyzed by g-C3N4 with Poly(platinaynes) as Efficient Electron Donor at Low Platinum Content”的研究工作。

该工作介绍了一种聚铂炔修饰的石墨氮化碳(g-C3N4) 本体异质结结构，有望替代高成本的贵金属辅助光催化剂。文中将三种结构相似的分子Fo–D、Pt–D和Pt–P的物理化学性质的理论和实验研究相结合，证实了铂(II)乙炔基团能有效地扩大了分子主链的电子离域，从而调节了分子轨道能级并形成了相对窄的分子带隙。

使用这些分子与g-C3N4形成电子给体-受体组件Fo–D@CN、Pt–D@CN和Pt–P@CN，不仅有效加强了组件的可见光收集能力，也加快了体系的光生电子-空穴分离速率，从而提高了光催化活性。

在这些组件中，体相异质结的铂(II)乙炔基复合材料Pt–D@CN和Pt–P@CN分别具有0.19%和0.24%极低的铂重量比，但表现出最快的电荷转移速率和最佳的光收集效率。在模拟太阳光(AM1.5G，过滤片)照射下，不用额外添加任何铂金属的10 mg Pt–P@CN显示出1.38 µmol h−1显著改善的光催化氢气生成速度，该速度比原始的g-C3N4高6倍。

本文要点

要点一：该工作设计了三个新的结构相似的分子，其结构特点分别是有机骨架、有机金属骨架和聚合有机金属骨架。

要点二：通过理论和实验方法对它们的物理化学性质进行了研究和比较，定性和定量地证明了铂乙炔成分能有效地增加电子密度，延长电子沿分子主链的离域，从而成为强电子供体。此外，铂炔单元的引入也调整了分子轨道能级，形成了一个相对较窄的带隙，从而拓宽了可见光区的光收集。

要点三：特别是，当用于光催化制氢时，每10mg Pt–P@CN表现出1.38 µmol h−1的最高氢气生成速率，比原始的g-C3N4高6倍，也超过了报道的铂和贵金属共催化剂对g-C3N4的作用。这项研究为发展新一代高效、相对低成本的贵金属基太阳能制氢光催化剂提供了新思路。

第一作者专访

1. 该研究的设计思路和灵感来源

金属有机材料在有机光电、有机太阳能电池与数据存储领域都有诸多应用。将聚铂炔与[6,6]-苯基C61丁酸甲酯混合，可以制得与传统聚3-己基噻吩/[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯性能相媲美的太阳能电池；利用金属有机材料的三线态增强，可以开发出不同类型的发光材料；利用金属有机分子的独特自组装性质与光电磁性质，可以用于制备纳米化的功能图案等等。通过这些成果，可以注意到这类材料具有溶液制备与分子能级可控方面的优势。

其次，石墨相氮化碳作为一种富氮结构的二维纳米材料，许多研究尝试将过渡金属或者其络合物通过化学键或配位键引入其二维平面，从而赋予氮化碳某特殊功能。这启示我们可以尝试将聚铂炔材料与氮化碳组装成异质结催化剂从而增强氮化碳的光催化功能。

2. 该实验难点有哪些？

实验难点首先是在于聚铂炔的合成:该材料采用Sonogashira聚合反应，虽然聚铂炔是主要产物，但容易生产非铂炔的低聚物与齐聚物，因此得到高纯度的聚铂炔是实验的第一个难点。

其次，聚铂炔要与氮化碳在能级上与功能上匹配，因此，聚铂炔的结构设计与改进是第二个难点。

在器件方面，氮化碳的高度分散也很关键，共混不好的异质结结构往往也会影响器件的性能。

3. 该报道与其它类似报道最大的区别在哪里？

最大的区别是我们并没有刻意不使用贵金属，而是把贵金属元素插入了有机共轭骨架，从而赋予金属元素更多光电功能，从而达到降低成本同时也提升其光催化功能的作用。

导师专访

您对该领域的今后研究的指导意见和展望

对于异质结结构材料而言，我们更多还是考虑材料之间的能级、功能匹配与共混相容性问题。因此，如何通过分子结构来调控铂炔分子的能级匹配、改善异质结材料的形貌，以及发掘其独特光电磁功能以提升各种器件应用性能，应该会对发展金属有机材料具有重要的指导意义。

文章链接

Solar‐Driven Hydrogen Generation Catalyzed by g‐C3N4 with Poly(platinaynes) as Efficient Electron Donor at Low Platinum Content

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202002465

通讯作者介绍

黄维扬，现为香港理工大学应用科学及纺织学院暂任院长、应用生物及化学科技学系讲座教授和欧雪明能源教授。

1992年获香港大学化学专业一级荣誉学士学位；1995年获香港大学博士学位；1996至1997分别于美国德州农工大学和英国剑桥大学从事博士后研究。现为香港化学会主席；长期担任多种国际期刊的编委和国际编委顾问成员：如担任Journal of Materials Chemistry C及Materials Advances 副主编, Topics in Current Chemistry主编和Journal of Organometallic Chemistry编辑。长期专注于无机化学中金属有机聚合物/配合物的设计、合成及其光电应用等领域的基础与应用研究。2014年起连续七年入选为汤森路透/科睿唯安高被引科学家，H-索引指数为83（Scopus），获英国皇家化学会会士、香港裘槎基金会“优秀科研者奖”、英国皇家化学会“过渡金属化学奖”(首位华人)、国家教育部高校自然科学奖一等奖（排名第一）、亚洲化学会联合会杰出年青化学家奖、“何梁何利基金科学与技术创新奖”、国家自然科学奖二等奖（排名第一）、日本光化学学会亚洲及泛洋洲光化学科学家讲学奖、香港研资局“高级研究学者奖”、国家教育部“长江学者”讲座教授和香港青年科学院创院院士称号等奖项或称号。

https://www.polyu.edu.hk/abct/en/staff/academic_staff/index.php?id=wyrwong

宋军，博士，教授，博士生导师。

2001年于浙江大学获得光电信息专业学士学位，2006年于浙江大学获得光学工程专业博士学位，2008年获得瑞典皇家工学院电磁理论专业博士学位。同年进入深圳市朗光科技公司工作，任研发工程师。现在深圳大学光电工程学院任教并从事科学研究。2007年曾获得中国光学学会颁发的王大珩光学奖，2011年获得中国仪器仪表学会颁发的金国藩青年学子奖。2012年被纳入广东省“千百十”工程校级培养对象，2013年4月被认证为深圳市孔雀计划B类人才，2013年入选深圳大学首批荔园优青培育计划，2014被纳入首批广东省优秀青年教师培育计划。现主要从事纳米光学技术在生物光子学检测及新能源技术中的运用研究。

近五年第一作者及通讯作者在Chemical Society Reviews、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、Nano Energy、Advanced Science、Coordination Chemistry Reviews、Small、Optics Letters、Optics Express等期刊发表学术论文近70篇。先后主持国家自然科学基金面上项目、青年基金、广东省自然科学基金、深圳市学科布局项目等纵向科研项目12项。

http://opto.szu.edu.cn/index6b79.html?s=/home/article/detail/id/98.html

第一作者介绍

周炫，博士。

2018年获得香港浸会大学博士学位，2018年-2020年香港理工大学-深圳大学联合培养项目博士后，获主持中国博士后科学基金一项，当前为深圳大学物理与光电工程学院副研究员。作者在2018年加入香港理工大学应用生物与化学科技学系黄维扬教授、深圳大学物理与光电工程学院宋军教授课题组。主要负责研究面向光伏与光催化的新型光电材料，其中包括聚铂炔材料的功能化合成与应用与异质结体系的能量转移现象两个方向。

课题组介绍

黄维扬教授课题组主页：

https://www.polyu.edu.hk/abct/en/staff/academic_staff/index.php?id=wyrwong

宋军教授课题组主页（深圳大学生物医学光子学研究中心）：

https://bpg.szu.edu.cn/