基于钛氧簇分子合金的分子尺度S型异质结用于增强光催化性能

《Nature Communications》：Molecular alloying of titanium–oxo clusters for linker-free S-scheme interfaces

　　

摘要

异质结工程是增强电荷分离和提升光功能材料性能的最有效策略之一。然而，这种异质结功能几乎仅在扩展固体中实现，如何将这一概念转化为原子级精确的分子体系仍是一个悬而未决的问题。在此，我们采用两种同构但电子性质不同的钛氧簇，即Ti₁₂Mn₆O₁₈(Bz)₃₀和Ti₁₂Cr₆O₁₈(Bz)₃₀（分别记为TiMn和TiCr；Bz表示C₆H₅CO₂），作为模块化纳米级构筑单元来构建分子合金，并在整个组成范围内形成共晶分子合金。TiMn和TiCr在没有共价或离子键连接的情况下，仅通过紧密的分子间堆积实现自发的费米能级平衡，从而在分子尺度上建立S型异质结。这显著增强了电荷载流子分离、载流子寿命和界面电荷传输动力学，导致光电流大幅增加、活性氧物种生成加速，并显著改善了代表性水相微污染物的去除效果。这种涌现的功能源于局域电子互补性以及由配体π–π相互作用促进的低电阻分子间电荷传输通道，而长程结晶有序并非必要。我们的研究结果表明，这是一种在不依赖扩展框架或构筑单元间共价融合的情况下，开发纳米簇级功能供体–受体体系的便捷方法。