有机半导体异质结由于良好的电荷分离在光-电/化学转换领域受到了广泛关注。然而由于多组分的存在，异质结半导体的发现和优化过程却是十分复杂而费力，尤其是考虑到半导体材料的性质不仅与其化学结构相关，还受到形成微观结构的影响。高通量自动化实验可以在一定程度上可以加快材料的发现速度，但是其筛选规模往往较小，筛选的实验结果在转移到宏量制备时存在明显挑战。
另外，有机半导体异质结纳米颗粒由于良好的激子解离和电荷分离效率在光催化分解水制氢中有着重要的应用。常见的异质结纳米颗粒是由聚合物/聚合物或聚合物/小分子共混得到，然而聚合物的分子量控制始终是挑战。相比于聚合物半导体，小分子化合物具有明确的化学结构、容易纯化、批次重复性高等独特优势，其较强的结晶性和相纯度有助于提高电荷迁移率和降低能量损失。此外，小分子可修饰性强，涵盖了更加广泛的化学空间，然而其作为光催化剂目前受到的关注仍然较少。
针对这一难题，华东理工大学朱为宏院士团队联合英国利物浦大学Andrew Cooper院士、浙江师范大学李小波特聘教授开发了基于组合分子库的小分子纳米结光催化剂加速发现新平台，将高通量自动化筛选与涡流强化流动合成创新融合，开辟了光敏产品工程研发-生产一体化的化工研究新范式。筛选放大的最佳分子纳米结光催化剂（MTPA-CA:CNP147）制氢速率达到330.3 mmol h−1 g−1，在350 nm处的量子效率超过80%。
相关成果“Accelerated discovery of molecular nanojunction photocatalysts for hydrogen evolution by using automated screening and flow synthesis”于北京时间2024年3月8日发表在Nature Synthesis期刊上。论文第一作者是张维伟特聘研究员、虞苗杰，通讯作者是朱为宏院士、Andrew Cooper院士、李小波特聘教授。
1.从高通量筛选组合分子库到涡流强化流动合成
在这项工作中，朱为宏院士/Andrew Cooper院士/李小波特聘教授团队创新融合了组合分子库、高通量自动化筛选和涡流强化流动合成，提出了小分子纳米结光催化剂加速发现的新平台。作者首先基于经典的吡啶缩合反应，由组合化学一次性合成了26种小分子受体（图1，CNP）；接着将这些小分子受体与一系列给体分子通过超声纳米沉淀法（UNP），制备出包含186种组合的分子库；进一步利用高通量自动化光催化筛选平台（串联自动化样品准备、高通量光催化实验和气相色谱分析）从该组合分子库中筛选得出最具潜力的分子纳米结组合；最后使用基于流动合成的涡流强化瞬时纳米沉淀法（FNP）放大制备了最佳的分子纳米结光催化剂（图2）。最终，优化放大的MTPA-CA:CNP分子纳米结在全光谱照射下的光催化制氢速率达到330.3 mmol h−1 g−1，在350 nm处的量子效率超过80%（图3），为有机光催化剂最高效率之一。
图1：分子纳米结光催化剂的发现流程（a）以及组合分子库的合成（b）。
图2：分子纳米结光催化剂加速发现平台：融合高通量自动化筛选和涡流强化流动合成。
图3：分子纳米结光催化制氢性能高通量筛选及放大验证。
2.具有高效电荷分离的一维分子纳米结光催化剂
图4：MTPA-CA:CNP147分子纳米结形貌及结晶性表征。
图5：MTPA-CA:CNP147分子纳米结的X射线粉末衍射花样及光物理性质研究。
3.潜在的光催化分解水制氢“描述符”光
图6：分子纳米结光催化剂DFT理论计算。
声明
“邃瞳科学云”直播服务
扫描二维码下载
邃瞳科学云APP
