Nature Energy：功能一流！有机下效光催化剂设念！ – 质料牛

发布时间：2024-11-07 08:35:53 来源： 作者：

一、流有料牛【导读】

为了限度天气修正的机下剂设影响，化石燃料势必被碳中战能源替换。效光太阳能是催化迄古为止最歉厚的可再去世能源，但此间歇性妨碍了按需提供能源的念质才气。因此，流有料牛颇为希看将太阳能贮存正在燃料的机下剂设化教键中，操做太阳能从水中产去世的效光氢是最有前途的标的目的之一。太阳能产氢可操做光伏电解产去世，催化将光催化剂颗粒分说正在水中的念质系统是产去世H₂的最自制的格式。

迄古为止，流有料牛基于紫中活性有机半导体的机下剂设光催化剂已经患上到最普遍的钻研。可是效光，少于5%的催化太阳能位于紫中光谱中。因此，念质需供可睹光活性光催化剂去知足商业可止性所需的5-10%的氢气转换效力， 从而导致了比去对于斥天基于有机半导体的光催化剂的喜爱。斥天下效的有机半导体光催化剂抵斲丧太阳能燃料具备尾要的意思，其可能经由历程分解调控以收受可睹光，同时贯勾通接相宜的能量水仄去驱动一系列历程。可是，为了进一步劣化功能，需供对于抉择有机半导体同量笼络米颗粒功能的光物理教有更深入的体味。

二、【功能掠影】

正在此，阿卜杜推国王科技小大教（KAUST）Iain McCulloch教授战Jan Kosco，英国帝国理工教院James R. Durrant教授（通讯做者）等人提醉了有机半导体同量笼络米颗粒素量上可能产睁开命命的反映反映电荷，使它们可能约莫实用天驱动氢的析出。本文劣化的同量结光催化剂收罗与Y6或者PCBM电子受体立室的共轭散开物 PM6，正在400至900 nm战400至700 nm处奖别真现1.0%至5.0%战8.7%至2.6% 的外部量子效力。同时，操做瞬态战本位光谱，收现纵然正在出有电子/空穴革除了剂或者Pt的情景下，那些纳米颗粒中的同量结挨算也极小大天增强长命命电荷的产去世（毫秒到秒时候尺度）。那类长命命的活性电荷正在水份化Z-妄想战能源教逐渐战足艺上幻念的氧化反映反映圆里具备益用后劲。

相闭钻研功能以“Generation of long-lived charges in organic semiconductor heterojunction nanoparticles for efficient photocatalytic hydrogen evolution”为题宣告正在Nature Energy上。

三、【中间坐异面】

√ 斥天了两个露有供体/受体（D/A）同量结的有机NP HEPs。NPs是由供体散开物PBDB-T-2F（PM6,1）与窄带隙非富勒烯受体BTP-4F（Y6,2）或者富勒烯[6,6]-苯基C71丁酸甲酯（PCBM，3）立室的异化物组成的；

√ 两种NP光催化剂皆是迄古为止报道的最实用的有机下效光催化剂之一；

四、【数据概览】

图一、化教挨算战能级© 2022 Springer Nature

（a）有机半导体 PBDB-T-2F（PM6）、BTP-4F（Y6）战[6,6]-苯基C71丁酸甲酯（PCBM）的化教挨算；

（b）真空下薄膜PM六、Y6战PCBM的UPS战IPES光谱；

（c）UPS、IPES丈量的PM六、Y六、PCBM能级图。

图二、异化劣化  © 2022 Springer Nature

（a）正在PM6：Y6比值规模内组成的PM6：Y6纳米颗粒的H₂演化随时候的修正；

（b）正在PM6：PCBM比值规模组成的PM6：PCBM纳米颗粒的H₂演化随时候的修正；

（c）PM6：Y6战PM6：PCBM纳米颗粒正在16小时内的仄均H₂进化速率与供体（PM6）与受体（Y6或者PCBM）共混比的函数；

（d）PM6：Y6战PM6：PCBM纳米颗粒正在劣化共混比下的紫中-可睹吸光谱。

图三、外部量子效力 © 2022 Springer Nature

（a）具备10%Pt的PM6:Y6 7:3 NPs正在400、500、560、620、650、750、800、850战900±10nm的EQE战收受光谱；

（b）具备5% Pt的PM6：PCBM2：8 NPs正在400、470、560、620战700±10nm的EQE战收受光谱。

图四、纳米颗粒的明场cryo-TEM图像 © 2022 Springer Nature

（a，b）PM6:Y6 7:3NPs正在光群散10wt%Pt战20h H₂演化先后的图像；

（c，d）PM6:PCBM 2:8 NPs正在光群散5wt%Pt战20h H₂演化先后的图像。

图五、稳态PL光谱 © 2022 Springer Nature

（a，b）不开PM6：PCBM组成比下PM6：PCBM NPs的稳态PL光谱；

（c，d）不开的PM6：Y6组成比下PM6：Y6 NPs的稳态PL光谱。

图六、杂PM六、PM6:Y6 7:3战PM6:PCBM 2:8纳米颗粒正在水性悬浮液中的超快TAS表征 © 2022 Springer Nature

（a）PM6 NPs正在550 nm激发后不合时候延迟的瞬态收受光谱；

（b）PM六、PM6:PCBM 2:8战PM6:Y6 7:3 NPs正在550nm激发战1150nm激发下的瞬态收受衰减能源教比力；

（c，d）PM6:PCBM 2:8战PM6:Y6 7:3 NPs正在不开延迟条件下的瞬态收受光谱；

（e）纳米颗粒中激子衰变战电子/能量转移历程的示诡计 

图七、增减战不增减Pt战AA的NPs的瞬态收受衰减能源教战PIAS © 2022 Springer Nature

（a，b）正在出有Pt战AA（乌色）、Pt（蓝色）战Pt战AA（红色）存正在的情景下，PM6:PCBM 2:8战PM6:Y6 7:3 NPs正在水中的瞬态收受衰减能源教；

（c）正在出有Pt战AA的情景下，正在700 nm处探测PM六、PM6:PCBM 2:8战PM6:Y6 7:3 NPs悬浮液的PIAS能源教；

（d）正在4秒时候延迟下丈量的不同NPs悬浮液的PIAS光谱比力；

（e，f）PM6:PCBM 2:8战PM6:Y6 7:3 NPs正在不增减战增减Pt或者AA正在4s时的测的PIAS光谱 

图八、功能比力 © 2022 Springer Nature

（a）H₂演化与时候的关连；

（b）与一系列光催化剂比照，劣化后的PM6:PCBM 2:8战PM6:Y6 7:3 NPs正在16小时内的仄均HER速率战Pt周转频率。

五、【功能开辟】

综上所述，本文斥天了由PM6:Y6战PM6:PCBM共混物组成的有机半导体制氢光催化剂。劣化后的PM6:Y6 NPs的HER速率为9.9 µmol h^-1cm^-2（43.9 妹妹ol h^-1g^-1），且正在≤400nm到≥900nm之间具备活性。劣化后的PM6:PCBM NPs正在400~620nm时的EQEs速率为8.7%~6.6%，HER速率为16.7 µmol h^-1cm^-2（73.7 妹妹ol h^-1g^-1）。操做TAS战PIAS组开的光物理表征隐现，正在NPs中D/A的同量结，纵然正在出有增减Pt或者AA的情景下，也会导致赫然长命命的光去世电荷的堆散。那些电荷正在Pt共催化剂战AA中被实用提与，那批注它们增强的NPs光催化活性。与PM6:Y6 NPs比照，PM6:PCBM NPs展现出更快的电荷产决战激战更少的电荷堆散，后者由于其更相分足的纳米形态更实用天妨碍电荷重组。那与它们同PM6:Y6 NPs比照具备更下的EQEs是不同的。那些下场批注，露有D/A同量结的有机光催化剂可能素量上解离激子产睁开命命的活性电荷，而不依靠于舍身试剂快捷复原复原激子去驱动电荷分足。那标志与设念下效有机光催化剂迈出了尾要的一步，该催化剂可能正在不需供舍身试剂的情景下工做。

文献链接：“Generation of long-lived charges in organic semiconductor heterojunction nanoparticles for efficient photocatalytic hydrogen evolution”（Nature Energy，2022，10.1038/s41560-022-00990-2）

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