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朱永法AS: 构筑具有D-A特性的界面以实现高效电子转移, 增强光催化析氢性能

邃瞳科学云

2022-04-15

导读：该工作成功地在TPPS与PDI 超分子材料之间构筑了具有高效电荷分离的电子给受体(D-A)界面，极大地提高了光催化产氢性能。

文章信息

构筑具有D-A特性的界面以实现高效电子转移，增强光催化析氢性能

第一作者：杨军

通讯作者：朱永法

单位：清华大学

研究背景

氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，对减少二氧化碳等温室气体排放、实现碳达峰碳中和目标具有重要意义。光催化制氢技术利用丰富清洁的太阳能，是制备绿氢最理想的方法，已成为研究热点。但光催化制氢效率仍受限于材料光谱响应范围窄、光生电荷易复合等关键科学难题。

其中，内建电场（IEF）是光生电荷分离的强大驱动力，与光催化制氢性能密切相关。受启发于卟啉优异的电子给体特性和苝酰亚胺的电子受体特性，我们在磺酸基卟啉（TPPS）和苝酰亚胺（PDI）自组装体之间构建了具有电子给-受体 (D-A) 特征的界面以提高光催化材料的内建电场，并深入探究了其对光催化产氢性能的影响。

文章简介

本文中，清华大学朱永法教授团队在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Electron Donor–Acceptor Interface of TPPS/PDI Boosting Charge Transfer for Efficient Photocatalytic Hydrogen Evolution”的文章。

该工作成功地在TPPS与PDI 超分子材料之间构筑了具有高效电荷分离的电子给受体(D-A)界面，极大地提高了光催化产氢性能。具有D-A界面的TPPS/PDI的光催化析氢速率为546.54 µmol h^-1，分别是纯相TPPS和PDI的9.95倍和9.41倍。研究发现，TPPS/PDI的内建电场显著增强，分别是PDI和TPPS的3.76倍和3.01倍。并且，TPPS/PDI的D-A界面有效地促进了电荷分离，具有比单组分更长的激发态寿命。该工作为设计具有D-A特性界面的材料实现高效光催化活性提供了新的思路。

本文要点

要点一：构筑TPPS/PDI的D-A特性界面

图1. D-A界面的构建

通过共组装π-π作用成功合成TPPS/PDI样品。研究发现，TPPS/PDI具有比较高的结晶性，有助于电荷传输。并且TPPS/PDI具有很好的光谱响应，其理论光谱效率高达72%。TPPS/PDI的固体紫外吸收光谱显示，在波长840 nm附近出现了由于D-A特性引起的电子跃迁峰。理论计算结果表明，TPPS/PDI界面的LUMO和HOMO分别位于PDI和TPPS上面，说明TPPS具有供电子性能，而PDI具有接受电子的性能，结果表明TPPS/PDI界面具有D-A特征。

要点二：TPPS/PDI的D-A特性界面增强光催化析氢性能

图2. D-A界面促使TPPS/PDI具有高效产氢性能

在全光谱下，TPPS/PDI的光催化产氢速率为546.54 μmol h^-1，分别是TPPS和PDI的9.95倍和9.41倍，其性能位于卟啉类光催化制氢材料的前列。尤其，TPPS/PDI的光催化产氢性能光谱响应范围很宽，涵盖了紫外、可见以及红光区域，非常有利于太阳能到化学的转换。

要点三：TPPS/PDI的D-A界面产生强的界面电场

图 3. TPPS/PDI的D-A界面电场强度

开尔文探针原子力显微镜以及Zeta电位测试表明TPPS/PDI具有强的内建电场，其内建电场分别是TPPS和PDI的3.01倍和3.76倍，强大的内建电场非常有助于电荷在界面上的分离和转移。我们进一步通过接触电位差以及公函大小对界面内建电场的方向进行了判断，其方向从PDI指向TPPS，能带结构为type-II类型。

要点四：TPPS/PDI的D-A界面促进高效电荷分离

图 4. D-A界面促使TPPS/PDI高效的电荷转移

纳秒和飞秒瞬态吸收光谱表明，D-A界面促使TPPS/PDI具有更长的激发态寿命，并且表面光电压表明D-A界面促进了电荷的高效分离。通过瞬态荧光光谱进一步发现TPPS/PDI的电荷分离常数为6.75Χ108 s^-1，是物理混合样品电荷分离常数的13.58倍，高效的电荷分离非常有助于光催化反应。

文章链接

Electron donor-acceptor interface of TPPS/PDI boosting charge transfer for efficient photocatalytic hydrogen evolution

Jun Yang, Jianfang Jing, Wenlu Li, and Yongfa Zhu*,

Adv. Sci. 2022, 2201134

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202201134

通讯作者简介

朱永法教授

清华大学化学系教授，国家杰出青年基金获得者，教育部跨世纪优秀人才资助计划获得者，曾获得国家自然科学奖二等奖1项，教育部自然科学奖一等奖2项、二等奖1项，教育部科技进步奖二等奖和三等奖各1次。长期从事环境光催化、能源光催化以及光催化健康方面的研究。现任Applied Catalysis B: Environmental杂志副主编、《化学学报》顾问编委、《物理化学学报》编委、中国环境科学学会大气分会理事、中国微束分析标准化技术委员会委员，国家计量认证高校组评审组长，ISO/TC201表面分析国际标准委员会委员，中国机械工程学会理化检验分会委员，全国环境化学计量技术委员会委员。朱永法教授承担了国家973项目、863项目、国家自然科学基金杰出青年基金、仪器专项、重点和面上等多项科研项目。已在Nat. Commun、Angew. Chem. Int. Ed、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater、Nano Energy等国内外学术刊物上发表论文400余篇，所发论文被引用超过24000次，H-index为107，并于2014-2021年连续入选Elsevier高被引学者（化学）。https://publons.com/researcher/1581646/yongfa-zhu/

第一作者简介

杨军博士

2020年7月博士毕业于清华大学化学系，现为清华大学化学系博士后，师从朱永法教授，其科研方向为环境与能源光催化。近年来在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Sci., Appl. Catal. B Environ., J. Mater. Chem. A, Chem. Commun. 等期刊发表SCI论文18篇，其中以第一作者身份发表论文累积影响因子为105.62，高被引论文一篇，期刊Hot Paper一篇，授权发明专利3项，并参与多项国家自然科学基金项目，主持1项中国博士后科学基金面上项目。

课题组介绍

清华大学朱永法教授团队以化学为基础，新型催化材料为出发点，致力于解决环境化学、能源化学、生命健康等领域的关键科学问题。具体来说，以光催化为核心技术，聚焦新能源(水分解、产双氧水、二氧化碳还原、甲烷偶联)、环境净化(光、电、热以及协同催化)、肿瘤治疗等研究内容，以实现环保、绿色能源、健康为目标，促进资源的循环利用和可持续发展。朱永法教授在清华大学、江南大学以及西南科技大学均设有自己的科研团队，课题组具有充足的科研经费，并为科研工作者提供了充足的科研场所、实验条件和一流的实验设备。

朱永法教授团队常年招收硕博研究生、博士后以及联合培养的硕博研究生，欢迎广大热爱科研，积极向上，充满求知欲的有志青年加入。

课题组网站：yfzhugroup.com

Email: zhuyf@tsinghua.edu.cn

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