非芳香结构中的空间穿越电子耦合驱动太阳能制氢过程

《Advanced Materials》：Through-Space Electron Coupling in Nonaromatic Architectures Drives Solar Hydrogen Production

本研究提出基于非芳香生物质的三维通过空间共轭（TSC）新型光催化材料，通过氧介导的2p轨道杂化形成宽带隙半导体结构，并利用碳、氢、氧的不对称电负性产生大偶极矩（>10德拜），显著提升电荷分离效率。优化材料在420nm和800nm下实现44.63%和1.58%的氢气产率，超越现有最佳催化剂，TSC机制为有机光催化剂设计开辟新路径，推动生物质高值化与太阳能制氢发展。

　　

摘要

合理设计下一代光催化材料，使其既能应对可持续性挑战，又能满足性能要求，这是光催化研究中的一个关键前沿。本文报道了非芳香族生物质衍生材料通过一种新颖的三维空间共轭（TSC）机制，在可见光到近红外光范围内展现出卓越的光催化活性，从而为可持续氢气生产提供了一种变革性策略。研究发现，这些生物质衍生材料中的氧介导的2p轨道杂化作用形成了类似半导体的能带结构，具有极宽的光吸收范围。此外，碳、氢和氧原子之间的固有电负性梯度导致了不对称的电荷分布，产生了较大的分子偶极矩（>10 Debye），从而增强了电荷分离效果。优化后的材料在氢气生产方面的表观量子产率分别达到了44.63%（420 nm）和1.58%（800 nm），可与最先进的光催化剂相媲美。这种TSC机制从根本上重新定义了有机光催化剂的设计范式，构建了一个既能实现生物质价值转化又能高效生成太阳能燃料的可持续材料平台。这些发现代表了光催化剂设计领域的一个概念性突破，为推进下一代太阳能燃料技术提供了巨大机遇。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。