朱为宏教授课题组Angew：涡流强化瞬时沉淀规模化制备高效有机纳米光催化剂

瞬时纳米沉淀法（Flash Nanoprecipitation, FNP）采用多通道的涡流混合器系统实现良溶剂与反溶剂的快速、可控混合，基于动力学调控纳米聚集体的形核与生长过程，是一种低成本、可连续运转、易规模化的纳米材料制备方法。朱为宏教授课题组前期创新采用FNP方法成功地实现了对喹啉腈等聚集诱导发光类染料的聚集态可控制备，获得多种形态的、高性能功能纳米荧光染料（Ind. Eng. Chem. Res., 2015, 54, 4683-4688 ; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 25186; ACS Appl. Bio. Mater., 2019, 2, 943），成功解决了生物成像应用中纳米荧光染料尺寸难以调控、重复性差、难以放大等难题。

近日，该团队首次引入FNP制备有机纳米光催化剂，通过分子工程发展亲水性可溶共轭聚合物，利用FNP过程实现良溶剂与不良溶剂的快速、可控混合，调控聚合物颗粒的形核与生长，获得了分散均匀、性状稳定的有机纳米光催化剂水溶液。

图1. 实验室常用超声方法和FNP策略的对比

相比于传统纳米沉淀法，涡流强化瞬时沉淀将纳米颗粒的制备从热力学控制转变为动力学控制，实现聚集态可控，可以得到粒径更小、分散更为均匀的纳米颗粒。作者通过冷冻电镜原位观察到基于FNP制备的纳米颗粒具有明显的双层结构，说明通过分子工程引入的亲水性五甘醇侧链倾向于暴露在纳米颗粒的表面，对纳米颗粒的形成和长期稳定起着至关重要的作用。

该策略制备的有机纳米光催化剂的光催化活性显著提高了70倍，在全光谱光照射下达到37.2 mmol h^-1 g^-1的峰值析氢速率，是目前聚合物光催化剂的最佳结果之一。研究表明，光催化活性的提升主要可以归结为光捕获效率的提高、活性面积与助催化剂的增加以及激子解离效率的增强。

图2. 基于FNP的纳米光催化剂的粒径和形貌

基于FNP可连续工作的特性，作者对有机纳米光催化剂进行了初步放大生产试验，将初始的25 mL光催化放大到100、500和1000 mL。DLS和产氢实验表明，放大4、20和40倍后的溶液中，纳米颗粒的粒径以及光催化性能并未发生较大的变化，证明了该策略具有规模化生产的潜力，为有机光催化剂从实验室小量研究走向实际应用的宏量制备提供了一个有效的方案。

图3. 基于FNP的初步放大生产实验

这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上，文章的第一作者是华东理工大学博士研究生虞苗杰和博士后张维伟，通讯作者是朱为宏教授和吴永真教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Engineering Nanoparticulate Organic Photocatalysts via a Scalable Flash Nanoprecipitation Process for Efficient Hydrogen Production

Miaojie Yu, Weiwei Zhang, Zhiqian Guo, Yongzhen Wu, Weihong Zhu

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202104233

通讯作者简介

朱为宏教授   华东理工大学教授，博士生导师，长期从事有机功能染料及其应用基础研究。以第一作者及通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Nature Comm.、Chem等国际期刊上发表论文290余篇，被SCI引用16000余次，申请中国发明专利32项，其中26项已授权。主持或参与国家自然科学基金、科技部“973”等科研项目25项。朱为宏教授已获得多项重要奖励与荣誉，包括国家杰出青年基金获得者（2013年），教育部长江学者特聘教授（2015年），教育部新世纪优秀人才（2007年），东方学者（上海市特聘教授，2009年），科技部创新人才推进计划（2014年），上海市学术带头人（2015年），国家“万人计划”领军人才（2016年），曾获国家自然科学二等奖两项（2019年第一完成人；2007年第三完成人）、上海市自然科学一等奖两项（2006年第三完成人；2017年第一完成人），上海市牡丹奖等，入选2018、2020年度科睿唯安化学领域“高被引科学家”（Highly Cited Researchers）。目前担任《Green Chemical Engineering》、《过程工程学报》、《影像科学与光化学》、Science China Chemistry、ACS Applied Bio Materials (ACS-ABM)、Dyes and Pigments、Green Energy and Environment 等杂志副主编或编委。

朱为宏

https://www.x-mol.com/university/faculty/10413 

课题组网页

https://whzhu.ecust.edu.cn/ 

吴永真  华东理工大学教授，博士生导师。主要研究方向为新型太阳能转换材料与器件。迄今在Science、Nature Energy、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Sci.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.等国内外学术期刊上发表60余篇论文。SCI引用共7000余次，H-index 36。入选交叉领域2019、2020年全球高被引科学家(科睿唯安)，曾获得国家自然科学二等奖（2019年，第三完成人）、上海市自然科学一等奖（2017年，第三完成人）、中国化学会青年化学奖（2020年）。先后入选上海市“东方学者”（2016年）和中国化学会“青年人才托举工程”（2017年）；2018年获得国家自然科学基金委“优秀青年科学基金”资助。