英文原题：Substituent Regulation Improves Photocatalytic Hydrogen Evolution of Conjugated Polyelectrolytes
作者：Yichen Wu（吴宜琛）, Xi Zhang（张熹）, Yetong Xing（邢晔彤）, Zhicheng Hu（胡志诚）, Haoran Tang（唐浩然）, Wei Luo（罗威）, Fei Huang（黄飞），Yong Cao（曹镛）
光催化分解水制氢能够将太阳能转化为绿色、无污染的氢能源。半导体材料是光催化制氢技术的核心，其需要具备较宽的吸收光谱、合适的能级等条件以满足光催化制氢的要求。有机共轭聚合物具有结构明确、性能易调控等特点，近年来也被应用于光催化制氢并受到了广泛的关注。水醇溶共轭聚合物是一类同时具备良好水/醇溶解性和半导体特性的有机光电材料，被广泛应用于有机太阳电池、有机电致发光等领域。将水醇溶共轭聚合物应用于光催化制氢，不仅能够实现共轭聚合物在水中良好的分散，扩大反应界面，还能增强共轭聚合物与助催化剂的界面接触以及电子转移，提高光催化制氢效率。近期，华南理工大学黄飞教授课题组在水醇溶共轭聚合物的光催化制氢应用方面做出了一系列探索性工作，发现水醇溶共轭聚合物材料是研究有机半导体材料的光催化机理及其相关过程的一类非常理想的模型材料。
近日，该课题组在前期研究的基础上，进一步提出取代基调控共轭聚电解质光催化制氢性能的新策略。通过在共轭聚合物聚电解质（图1）的主链引入不同取代基（-F、-CN），调控共轭聚合物的能级、吸收光谱、链间聚集特性，实现了光催化制氢性能的显著提高。研究发现，与未引入取代基的聚电解质PFBr-Ph相比，PFBr-PhF和PFBr-PhCN表现出更高的光催化制氢能力。其中，PFBr-PhCN实现了38.3 µmol/h (15.3 mmol/g/h)的光催化制氢性能（图2A），显著高于PFBr-Ph的光催化制氢能力（3.0 µmol/h, 1.2 mmol/g/h）。
不仅如此，CN取代的聚电解质PFBr-PhCN具有更强的链间聚集特性（图2B），有利于链间电荷传输。PFBr-PhCN在水中能够形成百纳米级尺寸的聚集体（图2C），这有利于为助催化剂负载及水还原反应提供较大的界面。研究还发现，CN取代能够降低共轭聚电解质的激子结合能（图2D），提高共轭聚合物激子生成效率。除此之外，CN取代能够增强聚合物与助催化剂Pt间的相互作用，加快共轭聚合物到助催化剂的电荷转移，提高光催化制氢效率。该研究为用于光催化体系的共轭聚合物的设计及性能提高提供了一种简单、行之有效的思路。
图2. (A)共轭聚电解质光催化分解水产氢效率；(B)共轭聚电解质的变温吸收图；(B)PFBr-PhCN的TEM图；(D)共轭聚电解质的激子结合能。
Substituent Regulation Improves Photocatalytic Hydrogen Evolution of Conjugated Polyelectrolytes
Yichen Wu, Xi Zhang, Yetong Xing, Zhicheng Hu*, Haoran Tang, Wei Luo, Fei Huang*, Yong Cao
ACS Materials Lett., 2019, 1, 620-627, DOI: 10.1021/acsmaterialslett.9b00325
Publication Date: November 1, 2019
Copyright © 2019 American Chemical Society
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