氢键设计重塑有机光催化剂电荷行为显著提升太阳能水氧化制氧效率

钱伯章 2026-03-01

内蒙古大学与清华大学团队利用氢键设计新型超分子光催化剂，通过调控电荷行为、降低激子结合能、增强内部电场，大幅提升太阳能水氧化效率。该催化剂可见光下产氧性能优异，可为高效人工光合作用及整体水分解系统提供新设计思路。

氢键，因其能将水和生物分子结合在一起而广为人知，如今在太阳能转换中展现出强大的作用，作为一种新型超分子光催化剂的一部分用于水氧化。来自内蒙古大学和清华大学的研究人员报告称，精心设计的氢键相互作用可以重塑有机光催化剂内部的电荷行为，为更高效的人工光合作用开辟了途径。

该团队构建了一个光催化剂，其中氢键将一个电子供体（一种苯并二酰亚胺超分子）与一个电子受体（一种胺化的富勒烯单元）连接起来。这些氢键形成了一个强烈电荷极化的局部环境，增强了介电屏蔽，并削弱了光生电子和空穴之间的库仑吸引力。同时，氢键的方向性提供了明确的路径，支持电子空穴在供体受体界面的局域化转移。

通过将紧密结合的弗伦克尔型激子转化为弱结合的电荷转移激子，氢键结构降低了激子的结合能，并使得在可见光照射下激子能够自发分离。这种自发分离意味着吸收的光子能量中有一大部分以可移动的电荷形式出现，能够驱动氧化还原反应，而不是重新结合为热能或光能。其结果是，在后续的水氧化反应中，光生电荷得到了更有效的利用。

与由单一组分分子构建单元形成的传统超分子组装体相比，这种通过氢键构建的供体-受体复合物产生了更强的内部电场。这种内部电场源于界面处强烈的电子相互作用以及氢键所造成的不对称电荷分布。增强的电场引导电子和空穴朝相反方向移动，从而促使光催化剂颗粒中的电荷以更快、更定向的方式迁移。

在运行条件下，研究人员观察到，氢键结合体系显著增加了有用的表面孔隙数量，这些表面孔隙是水分解过程中的活性氧化剂。在考虑电荷提取和再结合过程之后，与缺乏氢键结合界面的类似系统相比，有效表面孔隙浓度提高了六倍。由于有更多的氧化孔隙到达催化剂表面，水氧化半反应的速率急剧上升。

在可见光照射下的性能测试中，这种氢键结合型光催化剂的氧气生成速率达到了每克每小时63.9毫摩尔。该材料在420纳米处的表观量子效率为11.83%，在650纳米处为4.08%，这表明它不仅能利用能量更高的蓝光，还能利用能量更低的红光来驱动氧气生成。这些数据使该系统在类似条件下用于氧气生成的有机光催化剂中名列前茅。

以往关于基于氢键的光催化剂的研究大多集中在促进氢的释放、过氧化氢的生成或二氧化碳的还原上，其中以电子驱动的还原过程为主。相比之下，氧气的释放反应则是整个水分解过程中的较缓慢且在动力学上要求较高的中间步骤，因此在这一领域的进展相对较为缓慢。而这项新研究表明，氢键工程可以直接应用于这一具有挑战性的氧化步骤。

通过展示一种具有顶尖氧气析出性能的以空穴为主导的有机半导体平台，该研究为构建高效的整体水分解系统提供了设计蓝图。它表明，通过超分子氢键作用来调整局部静电势、激子分布和内部电场，可以为调控电荷动态提供一种灵活的方法。此类策略或许可以扩展应用于其他有机或混合型光催化剂，以实现太阳能燃料的生产及相关光电化学转换。

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