西安交大设计新型光催化分子，为太阳能转化提供高效产氢新策略

近期，西安交通大学何刚教授课题组通过提出创新的分子设计策略，在光催化制氢领域获得进展。研究人员合成了一种新型含硒紫精四阳离子配位环蕃，这种新型化合物在可见光驱动下展现出了卓越的光催化产氢性能。

具体来说，其产生了高氢气产量（132μmol）、生成速率（11μmol/h）、转换数（221）和表观量子产率（1.7%），为太阳能转换提供了一种简单、高效的光催化策略。

与传统的光催化体系相比，这种新型分子的显著优势在于其集光敏剂、电子转移剂和催化中心于一体，只需使用该分子就能实现高效率循环制氢，而无需额外添加任何物质。

这种方法非常环保且高效，它不像传统方法那样需要大量添加铂等贵金属纳米颗粒，这些贵金属不仅成本高昂，还可能导致重金属浪费和环境污染等问题。

该论文通讯作者何刚教授表示：“我们的分子设计使得金属催化中心与分子结构紧密结合为一个整体。这种设计避免了传统的纳米颗粒容易沉积或流失的问题，并实现了高效的循环利用。当分子达到使用极限时，整个分子可以被过滤或处理，从而避免了环境污染。”

日前，相关论文以《具有定向电子转移的含硒紫精环蕃增强可见光光催化产氢》（Directional Electron Flow in a Selenoviologen-Based Tetracationic Cyclophane for Enhanced Visible-Light-Driven Hydrogen Evolution）为题发表在Angewandte Chemie International Edition[1]，并被选为当期后封面。

西安交通大学博士研究生李乃垚和助理教授李亚雯是共同第一作者，何刚教授担任通讯作者。

何刚课题组的主要研究方向包括太阳能转化、大规模储能技术和光动力生物材料应用等。该团队在前期工作的基础上，持续进行了一系列研究。

早在 2018 年，他们就发表了该系列研究的第一篇论文，并展示了将光敏剂和电子转移剂放在一个体系中的初步成果，但当时还需要额外添加金属纳米颗粒作为催化中心，无法实现高效的定向电子转移。

之后，经过不断地对结构进行修饰和优化，他们在 2023 年完成了目前具有高度对称结构的分子设计，实现了催化效率的显著提升。但不可忽视的是，如何将整个催化体系的组分集成在同一体系中仍然是一个挑战。

该光催化分子融合了双吡啶铂（II）和含硒紫精，展现出优异的氧化还原特性、较小的能量带隙，以及在可见光区域（370-500 纳米）的强吸收能力。

在该研究中，设计新型分子不仅包含了光敏剂和电子转移剂，还集成了催化中心。据介绍，这是第一次将光催化系统的各个组成部分整合到环状化合物结构中，并通过调控电子在各组分间的定向转移，大幅提升了光催化分解水制氢的效率。

何刚解释说道：“这种设计类似于堆积木，通过将不同的模块堆叠在同一个分子上，限制了它们之间的距离和方向性，从而提高了电子转移的效率。这样的分子设计有助于减少电子转移过程中的损耗，并提升了催化效率和产品性能。”

以往的研究主要集中在均相催化上，即分子都是可溶的。但在该研究中，研究人员尝试了非均相催化的新方法。

最初，他们并没有特意将分子设计成非定向催化的形式，而是在得到分子后直接进行了非定向催化的实验，结果发现效果非常好。

“实际上，实验结果对我们来说是一个‘意外的惊喜’，因为非均相催化通常被认为性能不如均相催化。这个意外的发现让我们认识到，非均相催化也能实现显著的性能提升。”何刚说。

分子合成的复杂性和成本，仍然是限制该技术产业化的主要因素。目前，该研究还处于实验室阶段，尽管研究人员已经设计出了一个接近完美的分子，但需要了解的是，其在合成过程中存在产率较低的问题，直接影响着未来大规模生产的可行性。

该团队的目标是将这种分子设计应用于实际生产中。在接下来的研究阶段，该课题组致力于降低合成成本，将尝试用更便宜的金属替代贵金属铂，并探索使用细菌或酶等生物体系作为催化中心，以实现更环保和更高效的催化循环。

何刚举例说道：“我们可以利用细菌的自然特性来促进氢气的生产，这种方法不仅可减少对贵金属的需求，还能够利用环境中的细菌实现循环利用，既能在不使用金属的情况下产氢，也能抗菌。”

与此同时，他们也会继续尝试优化分子设计，包括提升新型光催化分子的光学和电学性能、简化催化体系、降低成本等，以期在未来能够实现产业化。

参考资料：

1.Naiyao Li,Yawen Li et al.Directional Electron Flow in a Selenoviologen-Based Tetracationic Cyclophane for Enhanced Visible-Light-Driven Hydrogen Evolution.Angewandte Chemie International Edition(2024). https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202410525

运营/排版：何晨龙西安交大设计新型光催化分子，为太阳能转化提供高效产氢新策略