全新水溶性小分子助催化劑大幅提高光催化產氫性能

科技日報訊 （記者吳長鋒 ）中國科學技術大學化學與材料科學學院吳長征教授研究組與張群教授研究組合作，研製出全新水溶性簡單小分子助催化劑，使光催化產氫性能大幅提升，為擺脫目前廣泛使用的貴金屬助催化劑提供了新途徑。研究成果近日在線發表在《自然·通訊》上。

把低密度的太陽能高效轉化為可存儲的化學能，是發展可再生能源的重要途徑。但如何實現光能利用效率最大化，成為擺在科學家面前的一道難題。貴金屬被廣泛認為是提高太陽光光子能量利用效率的高效助催化劑，然而貴金屬作為固體催化劑往往接觸面積有限，同時高昂的成本也極大地限制了大規模應用。針對上述挑戰，吳長征教授研究組突破了傳統觀點認為高效助催化劑大多集中於固體貴金屬的局限，首次發現了水溶性小分子三氟乙酸（TFA）是一類全新、高效的分子助催化劑。他們研究發現，通過簡單助催化劑分子的可逆氧化還原反應，就能成功傳遞光生電荷，這為高效利用光子能量提供了新思路。他們將三氟乙酸加入含有具有高比表面積優勢的鈮酸鉀二維納米材料溶液中，利用助催化劑簡單分子間快速的氧化還原反應，加速該二維材料電荷快速轉移以提高光子利用效率，成功將光催化產氫性能提高了32倍。

張群教授研究組採用超快動力學分析表明，三氟乙酸添加后，鈮酸鉀納米片光生電子的壽命提高了近3倍，表明小分子助催化劑誘導的高效電荷轉移是該體系光催化性能大幅提高的重要原因。吳長征表示，該小分子助催化劑策略的提出，有望擺脫傳統貴金屬助催化劑體系，為設計廉價、高效的光催化體系提供了新途徑。