科学家提出通用光催化体系设计新策略

中国科学院院士、华东理工大学教授朱为宏与该校教授张维伟团队，揭示了表面活性剂诱导界面微环境调控在有机纳米光催化中的关键作用机制，也为设计高效、稳定的光催化体系提供了一种低成本、简便且通用的新策略。相关研究成果近日发表于《先进材料》。

分子纳米光催化剂共组装吐温20表面活性剂构筑外亲水内疏水界面微环境。研究团队供图

有机纳米光催化剂具有分子结构可调、可见光吸收优异、激子迁移距离短及催化活性位点丰富等优势，是光催化分解水制氢领域的研究热点。然而，有机纳米光催化剂在反应过程中易发生团聚而失活，研究者通常需要引入表面活性剂以提升其分散稳定性。然而，目前仍然缺乏表面活性剂对界面微环境的调控机理，及其对有机光催化剂光物理特性、界面传质过程的协同作用规律的系统研究，限制了高效、稳定纳米光催化体系的精准理性设计。

针对上述瓶颈，研究团队选取傍体-受体（D-A）型小分子CNP90作为模型体系，采用纳米沉淀共组装策略，制备了经聚乙二醇（PEG）、吐温20（T20）、吐温80（T80）等不同表面活性剂包裹的分子纳米光催化剂。

系列测试结果表明，吐温类表面活性剂具有独特的双亲性结构，且T20和T80包裹的CNP90表现出显著抑制的非辐射复合、增强的电荷分离效率以及明显延长的激发态寿命。

研究团队以T20为例进行了进一步分析。T20在CNP90界面构筑了两亲性界面微环境，其中疏水的烷基链有效保护CNP90的有机核心免受高极性水环境诱导的激发态非辐射失活，而亲水的聚氧乙烯链则通过调控界面氢键网络，强化了水-催化剂之间的相互作用层。

得益于这一协同微环境工程，T20/CNP90与T80/CNP90的光催化制氢速率相较于CNP90及PEG/CNP90均获得大幅提升，其中T20/CNP90表现最优，超越了目前绝大多数已报道的有机光催化体系。此外，T20/CNP90可通过涡流强化瞬时纳米沉淀法实现规模化制备，展现了宏量制备的潜力。同时，该共组装策略在多种光电功能分子体系中均显示出良好的普适性。