第一作者：黄词苑
通讯作者：潘明章，刘焘
通讯单位：广西大学
论文DOI：10.1002/aenm.202500220
光催化技术在解决废水污染和能源危机方面面临双重挑战，需要具有增强可见光吸收和高效电荷分离的先进光催化剂。2025年2月5日，广西大学刘焘、潘明章团队在Advanced Energy Materials期刊发表题为“Impact of Molecular Structure on Reactive Oxygen Species Generation in D–A Heterojunction Photocatalysts for Efficient Dye Degradation under Weak Light”的研究论文，团队成员黄词苑为论文第一作者，潘明章、刘焘为论文共同通讯作者。
该研究利用体异质结有机太阳能电池（BHJ-OSCs）活性层作为光催化源，提出了一种生物炭负载的供体-受体（D-A）异质结有机光催化剂PM6:PIID-ClBF@BC，旨在通过光催化水处理研究分子结构对光催化活性的影响，同时帮助解决OSCs废物处理和资源二次利用相关的挑战。PM6:PIID-ClBF@BC在10分钟内实现了RhB的完全降解，并在20个循环中保持近100%的活性。此外，该催化剂在3小时内生成了28.15 μmol的H2，生成速率为187.67 μmol h−1g−1。其优越的性能归因于其更广泛的可见光吸收，氯取代引起的电负性增加（增强的偶极矩），以及有利的堆叠相互作用提供了更大的电子离域，形成强烈的内部电场，驱动高效的电荷分离和分子内电荷转移，从而增强活性氧物质的生成。PM6:PIID-ClBF@BC与RhB之间的静电相互作用促进了有效的吸附和催化作用，更高的超氧自由基水平驱动了降解过程。这突显了分子结构在优化光催化性能中的关键作用，为设计下一代用于环境修复和可持续能源的光催化剂提供了见解。
尽管光催化技术在缓解能源危机和治理环境污染方面展现出巨大潜力，但现有催化剂仍面临诸多瓶颈问题。其中，材料本征属性导致的带隙可调性受限和结构设计局限性，严重制约了活性氧（ROS）的生成效率。这些技术挑战不仅降低了光催化系统的整体效能和稳定性，更凸显了开发高性能催化材料的迫切需求。因此，设计能够突破这些限制的新型催化剂体系仍是当前研究的重点方向。
光催化系统的性能表现主要取决于三个关键因素：光吸收效率、电荷分离能力以及后续的电子转移（ET）过程。其中，电荷载流子的高效分离——表现为更长的寿命和更广的空间分布——是实现优异催化活性的决定性因素。研究表明，增大电负性差异可有效增强偶极矩、强化内建电场，从而促进分子内电荷转移（ICT）。然而，如何设计同时具备高效ICT和低电子-空穴复合率的给体-受体（D-A）体系，仍然是光催化领域面临的重要科学难题。电子传输过程不仅在生物体系中扮演关键角色，在化学催化过程中也至关重要。近年来，源于生物质的碳基材料（如生物炭、碳纳米管和石墨烯）因其独特的催化-电子介体双功能特性而备受关注。这类材料具有以下优势：首先，其扩展的共轭体系和高导电性可显著增强ET过程；其次，其优异的性能与全球可再生资源利用的发展战略高度契合。与此同时，基于D-A结构的本体异质结有机太阳能电池（BHJ-OSCs）活性层因其可调控的能级结构、宽光谱吸收特性和高效的激子扩散能力，展现出巨大的光催化应用潜力。然而，这类材料在水氧环境下的结构不稳定性限制了其直接应用。尽管如此，BHJ-OSCs固有的D-A异质结结构仍具有显著优势，特别是其强大的内建电场和优异的电荷分离能力。
随着可持续发展理念的深入，废弃BHJ-OSCs的二次利用为开发新型光催化材料提供了新思路。通过整合这些技术进展，研究人员有望设计出兼具环境友好性和高效催化性能的新一代光催化剂，为染料降解、水处理以及可再生能源等领域提供创新性解决方案。
该研究创新性地利用BHJ-OSCs活性层（包含聚合物PM6及PIID-ClBF）作为光催化源，旨在解决废物处理与资源回收面临的难题。设计了一种生物炭负载的D-A异质结光催化剂PM6:PIID-ClBF@BC，广泛应用于水体光处理领域。该方法将生物炭的吸附能力与D-A异质结优异的光子能量收集和电荷分离效率相结合。系统探究了材料种类、光催化剂用量和RhB初始浓度对光降解过程的影响。此外，通过活性氧物质评估、中间产物检测、Fukui函数计算及毒性分析，深入探索了RhB的潜在降解路径与机制。对关键参数的研究，如ROS生成、中间产物及RhB降解机制的研究，证实了该材料的高效性。这些发现凸显了利用再生资源实现规模化、可持续光催化解决方案的潜力。研究结果为将BHJ-OSCs活性层回收用作有机污染物降解光催化剂的可行性提供了关键证据，有效应对了这些活性层在接触氧气和水时面临的挑战。
图1. 利用有机D-A异质结进行光催化过程中的关键步骤，特别突出了体异质结和D-A界面处的两种激子解离途径。
图2. 光催化剂制备及光催化降解RhB的工艺研究。
图3. a) PM6、PIID-ClBF和TPA-PDI的化学结构。b)优化后的分子构型，基于密度泛函理论DFT计算的FMO，PM6、PIID-ClBF和TPA-PDI的表面静电势（ESP）分布（左、中、右）。c) PM6:PIID-ClBF和PM6:TPA-PDI膜的紫外-可见漫反射光谱。d) PM6、PIID-ClBF和TPA-PDI的能级图。
图4. SEM图像：a)原始生物炭，b) PM6:PIID-ClBF@BC与PM6:TPA-PDI@BC，c) TiO2和TiO2@BC。
图5. a) PM6:PIID-ClBF@BC的孔隙宽度分布。b) PM6:PIID-ClBF@BC与TiO2@BC的氮吸附-解吸等温线。c) PM6、PM6:PIID-ClBF及PIID-ClBF的光致发光光谱。d) PM6、PM6:TPA-PDI及TPA-PDI的光致发光光谱。e) PM6:PIID-ClBF与PM6:TPA-PDI的时间分辨光致发光衰减曲线。f)瞬态光电流响应谱。
图6. a) PM6:PIID-ClBF@BC体系中对RhB降解的循环实验。b)活性物种淬灭实验。c) 在光照与黑暗条件下，PM6:PIID-ClBF@BC与PM6:TPA-PDI@BC体系中·O2−生成情况的电子自旋共振测试，持续5分钟。
图7. a)经DFT计算优化的RhB结构。b) RhB的静电势分布。c) RhB分子的最高占据分子轨道（HOMO）。d) RhB分子的最低未占据分子轨道（LUMO）。
图8. a)共混膜PM6:PIID-ClBF与PM6:TPA-PDI的SPV光谱。b) PM6:PIIDClBF@BC复合材料的电荷转移及光催化机理示意图。
总之，该研究通过简易的浸渍法成功制备了基于生物炭的D-A异质结材料（PM6:PIID-ClBF@BC），展现出对RhB降解及水分解的双重功能。PM6供体与PIID-ClBF受体间的协同作用，得益于其更广泛的可见光吸收范围、氯取代引起的电负性增强（即偶极矩增大）以及强烈的堆叠相互作用提供了更大的电子离域，从而形成具有内部电场的D-A异质结，驱动有效的电荷分离和ICT，从而增强ROS的产生。此外，其有效的碳结构，凭借巨大的界面接触面积，提供了丰富的表面活性位点，并显著降低电荷迁移阻力，促进了催化剂和污染物之间的快速电荷转移。PM6:PIID-ClBF@BC与RhB分子间的静电相互作用，促进了高效吸附与催化反应，而较高的超氧自由基水平则是降解的主要驱动力。值得注意的是，在弱光照射下，该体系在10分钟内实现了100%的RhB光降解率，这是纯有机光催化系统在弱光条件下报道的最佳结果之一。同时，该催化剂表现出优异的循环稳定性，经过20次循环后性能保持一致。此外，PM6:PIID-ClBF@BC在氢气生成方面也表现出色，3小时内产氢量达28.15 μmol（即187.67 μmol h-1 g-1）。通过扩展BHJ-OSCs活性层的应用范围，这一创新为开发新型长效D-A异质结有机光催化剂，用于水体光处理领域，提供了极具启发性的见解。
Impact of Molecular Structure on Reactive Oxygen Species Generation in D-A Heterojunction Photocatalysts for Efficient Dye Degradation under Weak Light
https://doi.org/10.1002/aenm.202500220
通讯作者：刘焘，广西大学资源环境与材料学院教授，博士生导师，国家级青年人才，中国科协海智计划特聘专家，中国稀土学会第七届稀土晶体专业委员会委员，广西环境协会常务理事，广西化工学会-资源与环境专委会副主任委员。主要从事光电功能材料与器件，有机/钙钛矿太阳能，光敏剂治疗癌细胞,光催化处理废水中的有机物和金属离子等方面交叉研究，在Nat. Energy，Adv. Mater.，Joule，Energy Environ. Sci.等顶刊杂志共发表或录用SCI论文120余篇（IF＞2200），其中18篇论文入选ESI热点论文和40余篇入选ESI高被引论文，总引用12000余次。连续三年入选科睿唯安高被引学者，，连续五年入选全球前2%顶尖科学家榜单，连续三年入选Research网站材料科学领域榜单（全球排名第6613位，中国排名第1704位），并荣获“科学新星奖”（全球排名第254位，中国排名第96位）。2020 年英国皇家化学学会期刊中被引用次数最多的前 1 % 作者等荣誉， 相关成果获“中国百篇最具影响国际学术论文”“第六届中国科协优秀科技论文”“《中国科学：化学》中英文刊优秀论文”“Cell Press 2020年中国科学家最佳论文奖”（物质科学共10篇，排第一）等，被诸多媒体报道。担任Joule，Adv. Mater.，Nano-Micro Lett.，等诸多知名学术期刊的审稿人，还获聘担任Exploration期刊青年编委、Environmental Technology & Innovation期刊责任编辑和Molecules杂志的客座编辑。
通讯作者：潘明章，2014年毕业于天津大学，现广西大学机械工程学院教授, 博士生导师。主持和参与了多个科研项目, 包括国家自然科学基金面上项目、地区项目以及广西省重点研发项目等。研究领域主要涉及燃料电池、智能装备设计与优化、无人驾驶技术、发动机燃烧与排放控制。发表SCI学术论文100余篇，内容涵盖发动机OBD数据分析软件开发、石墨烯燃料添加剂在发动机的应用研究等多个方面。成果高性能智能化高速船艇用柴油机关键技术开发及应用获"2023年度广西科学技术奖 (科学技术进步一等奖）。
第一作者：黄词苑，广西大学2023级博士研究生，主要研究方向为环境与能源光催化、光催化抗菌疗法及其机理研究，迄今以第一作者身份发表SCI学术论文4篇。
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