隨著光催化領(lǐng)域幾十年的發(fā)展，研究者開發(fā)出多種新型光催化材料用于光催化分解水，以期實現(xiàn)光能的資源化、清潔化利用。光催化分解水包含還原水產(chǎn)氫和氧化水產(chǎn)氧兩個半反應(yīng)，大多需要Pt、Ru等貴金屬助催化劑參與來活化水分子降低過電勢。目前，絕大部分已經(jīng)報道的光催化材料可利用光催化劑的光生電子，實現(xiàn)還原水產(chǎn)氫過程。但是，要實現(xiàn)光催化全解水，對于光催化水氧化的研究必不可少。光催化水氧化通常為四個電子參與的過程，反應(yīng)速率較慢，是制約光催化全解水的重要因素。因此，探索開發(fā)無需貴金屬助催化劑輔助的高效產(chǎn)氧光催化劑成為了解決上述問題的重要突破口。此外，對光催化氧化半反應(yīng)的充分理解和闡述也可為今后開發(fā)更高效的全解水光催化劑提供參考和幫助。

近年來，清華大學(xué)朱永法教授課題組，基于苝酰亞胺、卟啉等共軛有機分子設(shè)計開發(fā)了一系列新型有機超分子光催化劑，并探索其在光催化分解水、降解環(huán)境污染物等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

為進一步增強苝酰亞胺光催化劑的穩(wěn)定性，提高光催化活性，該課題組在超分子光催劑的基礎(chǔ)上，進一步引用共價鍵作用，通過尿素、聯(lián)胺、乙二胺等分子構(gòu)筑起新型苝酰亞胺聚合物光催化劑。其中，以尿素-苝酰亞胺（Urea-PDI）聚合物性能最為突出，其性能較苝酰亞胺超分子光催化劑提升兩個數(shù)量級以上,其產(chǎn)氧AQY(450 nm)高達3.86%。更重要的是，該Urea-PDI光催化劑在高效分解水產(chǎn)氧的同時，可保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，連續(xù)光照100小時后，性能不發(fā)生衰減。相關(guān)成果近期發(fā)表于Advanced Materials(DOI：10.1002/adma.201907746)。

在開發(fā)新型苝酰亞胺聚合物光催化劑的同時，該團隊進一步利用多種穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)實驗技術(shù)，深入揭示該新型光催化劑的光催化機理。Urea-PDI中的電荷轉(zhuǎn)移機理與其他非金屬半導(dǎo)體光催化劑相同。分子的LUMO和HOMO在π-π堆積作用下，構(gòu)筑起半導(dǎo)體能帶（CB和VB），從而提供了光生電荷快速轉(zhuǎn)移通道，CB可以傳輸電子，而VB可以傳輸空穴。尿素分子作為剛性的連接劑，可以顯著提高該聚合物的結(jié)晶性。高度結(jié)晶的結(jié)構(gòu)，可以保證分子有序排列，有助于分子偶極誘導(dǎo)形成內(nèi)建電場。Urea-PDI被光激發(fā)后，強大的內(nèi)建電場可以促進電子和空穴的分離。同時，Urea-PDI的深價帶結(jié)構(gòu)保證了光生空氣的強氧化能力。結(jié)合以上種種優(yōu)勢，Urea-PDI可以高效、穩(wěn)定地光催化分解水釋放氧氣，在材料和性能上取得巨大突破。