中國儲能網訊：近日，中國科學技術大學教授吳長征研究組與張群研究組合作，發(fā)展出全新水溶性小分子助催化劑以加速光生空穴轉移，實現了光催化產氫性能的大幅提升，從而為擺脫目前廣泛使用的貴金屬助催化劑提出了新的解決途徑。相關研究成果10月21日在線發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Comm. 2015, 6, 8647）。
把低密度的太陽能高效轉化為可存儲的化學能是發(fā)展可再生能源的重要途徑。然而，光生載流子的復合嚴重限制了人工光催化體系的轉化效率，如何實現光生載流子分離的最大化成為提高光催化效率的重要挑戰(zhàn)。負載型貴金屬被廣泛認為是高效助催化劑，然而貴金屬作為固體催化劑往往帶來有限的接觸面積，同時高昂的成本也極大地限制其大規(guī)模應用。
針對上述挑戰(zhàn)，吳長征研究組突破了傳統(tǒng)觀點認為高效助催化劑大多集中于固相貴金屬的局限，首次發(fā)現水溶性小分子三氟乙酸（TFA）是一類全新、高效的分子助催化劑。他們創(chuàng)新性地發(fā)現TFA存在可逆氧化還原電對，并且在光催化環(huán)境中表現出高度的可逆性，這為傳遞光生載流子提供了新的思路。分子助催化劑TFA通過自身氧化還原電對實現了分子間快速的自由基反應，加速了空穴的快速轉移。在鈮酸鉀二維納米材料高比表面積優(yōu)勢的基礎上，成功將光催化產氫性能提高了32倍。核磁共振、元素分析、原位電子自旋共振等系列表征證實了鈮酸鉀價帶的光生空穴與吸附的TFA陰離子反應能產生高活性的TFA自由基；同時TFA自由基轉移空穴至甲醇分子，從而實現鈮酸鉀二維納米材料催化體系中電子-空穴對的高效分離。其合作者張群研究組采用超快瞬態(tài)吸收光譜和穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜等測量手段，刻畫了該模型體系中與空穴陷阱態(tài)和電子陷阱態(tài)密切相關的光生載流子動力學行為和機制，從而證實了水溶性小分子助催化劑策略的合理性和有效性。超快動力學分析表明TFA添加后鈮酸鉀納米片光生電子的壽命提高了近3倍，揭示出小分子助催化劑誘導的高效空穴轉移和電子-空穴對分離是該體系光催化性能大幅提高的根本原因。小分子助催化劑策略的提出，有望擺脫傳統(tǒng)貴金屬助催化劑體系，為設計廉價、高效的光催化體系開辟新途徑。
這項研究工作得到了國家基金委、科技部、中科院、能源材料化學協(xié)同創(chuàng)新中心、量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。
水溶性小分子助催化劑三氟乙酸加速空穴轉移
