浙江
光催化分解水制氢是可持续能源领域的重要研究方向，其中二维共轭聚合物因其成本优势和可调的光电性质而受到广泛关注。2026年7月29日，福州大学王心晨教授团队在《Nature》期刊在线发表题为“Photocatalytic water splitting by 2D polymer with out-of-plane carrier flow”的研究论文，该研究团队在聚三嗪亚胺（PTI）聚合物单晶体系中通过构筑晶面选择性的纳米薄膜来建立内建电场，成功激活了光生载流子穿过范德华堆叠层间的面外迁移，实现了光催化全分解水表观量子效率的大幅提升。
聚合物半导体中光生激子通常被限制在二维共轭平面内，这种拓扑约束导致载流子复合严重并制约了能量转换效率。研究团队以高结晶度的PTI单晶作为模型体系，通过球差校正电子显微镜对光沉积的电子和空穴探针进行三维空间定位，直接追踪了光生载流子的迁移路径。他们发现，在未改性的PTI晶体中超过百分之九十八的光生电子和空穴都终止于六个侧面棱柱面，而上下两个基底面上几乎没有探针信号，光生电子和空穴在共轭平面内的空间分布距离约为11纳米。这一结果证实了光生载流子在π共轭层内的强空间关联性，研究团队将其归因于层间范德华相互作用较弱所导致的准二维电子限域效应，这种限域效应使得光生电子和空穴难以沿晶体c轴方向实现有效的空间分离。
为了打破这种二维限域对载流子输运的限制，研究团队在PTI晶体的棱柱面选择性地包覆了一层厚度约为2纳米的磷酸锂（Li₄P₂O₇）非晶纳米薄膜。高分辨电子显微镜成像和电子能量损失谱分析确认了该纳米薄膜的组成和界面结构，密度泛函理论计算进一步表明界面处存在显著的电荷重新分布并由此建立了从棱柱面向晶体内部延伸的横向内建电场。在横向电场驱动下，光生电子被吸引向磷酸锂纳米薄膜一侧而空穴则被排斥到未包覆的晶体角部区域，研究团队通过光沉积实验观察到钴氧化物空穴探针大量聚集在晶体的角部位置而铑电子探针则主要分布于棱柱面。有限元模拟结果进一步表明这种横向电场将载流子的迁移从二维局域模式转变为受控的三维空间分离模式，电荷分离能力提升了5.3倍，有效激子解离能垒降低了约34%。
研究团队进一步在PTI晶体的基底面构筑了具有化学计量偏离特征的纳米凸起结构，通过过热处理诱导表层氯离子溶出和部分氮原子缺失，形成了面向晶体外部的垂直内建电场。高分辨成像和电子能量损失谱揭示了基底面纳米凸起中氯含量明显降低且伴随有氮元素的缺失，电荷密度差计算表明这种缺陷结构在界面处建立了垂直方向的内建电场。光沉积实验结果显示，在垂直电场作用下约百分之九十的铑电子探针和钴氧化物空穴探针分别分布在棱柱面和基底面上，实现了近乎完全的电子和空穴空间分离。电荷分离能力相较于原始PTI提升了29.6倍，体相复合被抑制到原始材料的七分之一左右，有效激子解离能垒降低至21毫电子伏特。
在光催化全分解水性能评估中，研究团队在PTI晶体上依次光沉积了四氧化三钴、铑和三氧化二铬作为助催化剂。经过横向电场修饰的PTI-样品氢气产生速率达到45.5微摩尔每小时每平方厘米，表观量子效率在369纳米光照下为53.4% ± 6.9%。经过垂直电场修饰的PTI-样品活性进一步提升至73.3微摩尔每小时每平方厘米，表观量子效率达到82.1% ± 9.9%，化学光量法校正后为87.2% ± 10.5%。在72小时的长期稳定性测试中这两个样品均保持了约百分之九十的初始活性，太阳能到氢能的转换效率从原始PTI的0.19%提升至PTI-的1.06%。该研究所提出的晶面选择性纳米薄膜修饰策略为二维聚合物光催化剂中载流子输运路径的调控提供了新思路，并且这种基于内建电场诱导面外载流子迁移的物理机制也可能适用于其他具有类似层状结构特征的二维材料体系。
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