萘二酰亚胺超分子实现高效的光催化析氢和析氧双功能活性

众所周知，利用人工光合作用将太阳能转化为清洁的化学燃料是解决能源短缺和环境污染问题的理想途径。尤其，光催化分解水制氢技术因其低成本、环境友好等特性，在大规模的绿氢制备中引起了广泛的关注。近年来，有机超分子材料因其具有高活性、合成条件温和且能够在分子水平上实现其结构的功能化定制，使得它在开发高效析氢光催化剂方面备受关注。其中，萘酰亚胺（NDI）材料因其优异的电子亲和性、载流子迁移率以及稳定性，已广泛应用于光电研究，其相关衍生物在光催化析氢领域也受到了研究。然而，NDI超分子光催化剂的活性仍然受限于其缓慢体相电荷分离和迁移，尚未达到最先进的光催化剂水平。同时，NDI超分子主要被应用于光催化析氢半反应，而关于其水氧化反应的研究尚未见报道。这主要是因为水氧化反应涉及到一个四空穴过程，所以除了满足基本的能带结构要求，还需要光催化剂具有更优异的电荷分离与转移效率。

针对以上关键科学问题，我室环境与能源催化团队通过调控NDI超分子的分子偶极和堆积结构，成功构建了一种具有高效析氢和析氧双功能活性的苯二羧基NDI超分子光催化剂（SA-NDI-BCOOH）。其中，SA-NDI-BCOOH的大分子偶极矩和短程有序堆积结构协同产生了强内建电场，使其电荷分离效率显著提升了6.7倍。此外，SA-NDI-BCOOH的多羧基结构极大地增强了其亲水性。因此，SA-NDI-BCOOH展现出了高效的光催化析氢和析氧双功能活性，其速率分别为372.8和3.8 µmol h^-1。同时，其在400 nm处的析氢表观量子效率达到了10.86%，明显超过了许多已报道的超分子光催化剂。更重要的是，在双助催化剂的辅助下，SA-NDI-BCOOH实现了光催化全解水活性，氢气和氧气的析出速率分别为3.2和1.6 μmol h^-1。同时，这也是超分子光催化剂首次被报道实现直接全解水性能。简而言之，这项工作揭示了通过调控超分子材料的分子极性和堆积结构来增强内建电场以显著提升其光催化性能。

相关成果以“Dual Function of Naphthalenediimide Supramolecular Photocatalyst with Giant Internal Electric Field for Efficient Hydrogen and Oxygen Evolution”为题发表在材料领域TOP期刊Small（IF: 13.3）上，硕士研究生许仕成为第一作者，陈先杰特聘副教授、陈钱特聘副教授和朱永法教授为共同通讯作者，西南科技大学为第一通讯单位，合作单位为清华大学和成都大学。此外，材化学院22级本科生陈思琪、李羽欣等多位学生也参与了本工作。

相关文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202400344