全有机S型氮化碳/苝酰亚胺π-π堆叠异质结调控质子耦合电子转移过程实现高效CO2光还原

本文创新性地构建了具有大π离域体系的全有机S型（S-scheme）异质结光催化剂CN/UPDI，通过π-π堆叠作用实现了34.10 μmol g?1 h?1的CO产率和4.55 μmol g?1 h?1的CH4产率，其中甲烷产率分别是单一组分的12.3和11.7倍。该体系通过S型电荷分离机制保留高能电子和强氧化空穴，同时π离域系统为质子耦合电子转移（PCET）过程提供快速传输通道，为有机半导体光催化剂设计提供了新思路。

　　

Highlight亮点

基于UPDI和CN的平面π共轭特性，我们通过π-π堆叠成功构建了具有大π离域体系的S型CN/UPDI光催化材料体系。该体系在CO₂还原中表现出卓越性能，CO和CH₄产率分别达到34.10和4.55 μmol g^?1 h^?1。CN和UPDI之间强大的内置电场和大π离域系统为界面电荷转移提供了强力驱动和快速通道。

Construction of CN/UPDI heterojunction with π-π stacking

π-π堆叠CN/UPDI异质结的构建

如图1(a)所示，采用热聚合-溶剂热-溶剂蒸发策略构建了具有π-π堆叠的全有机S型异质结(CN/UPDI-x)。SEM和TEM显示(图1b-d)，UPDI呈现直径约400 nm、长度小于1.0 μm的规则厚片状结构，而CN则展现典型的二维层状形貌。通过π-π相互作用，UPDI纳米片紧密锚定在CN纳米片表面形成三明治结构，这种紧密接触为电荷转移建立了高速公路。

Conclusions结论

我们通过杂交UPDI和CN成功构建了具有大π离域体系的全有机S型异质结光催化剂(CN/UPDI-x)。CN/UPDI-4展现出卓越的光催化CO₂还原活性(CO:34.10 μmol g^?1 h^?1；CH₄:4.55 μmol g^?1 h^?1)，其CH₄产率分别是原始CN和UPDI的12.3和11.7倍。原位XPS分析和理论计算证实了独特的"S型"电荷转移路径和快速π电子离域通道的协同作用，为开发高效有机光催化剂提供了分子工程新策略。