具有长寿命电荷分离态的捕光自组装纳米颗粒对光解水产氢产率的影响

开发具有长寿命电荷分离态的光敏剂对光电转换相关应用的发展具有重要意义，但仍面临着一系列挑战。近日，瑞典乌普萨拉大学（Uppsala University）的田海宁和Leif Hammarström团队报道了一种“卟啉-紫精”的“供体-受体”分子，并将其组装成水溶性纳米颗粒用于光催化产氢。结合时间分辨光谱，该团队对比了光敏剂在有机溶剂DMF（以单体存在）与制备成水分散的纳米颗粒（以聚集态存在）两种状态下的光诱导电荷分离的过程以及产生的电荷分离态的寿命。由于连接卟啉和紫精的碳碳三键具有一定的刚性且使得给受体之间的距离较远，所以在DMF溶液中，光敏剂单体给受体之间难以发生电子转移过程。与之相反，当使用一些表面活性剂将光敏剂分子自组装制备成“卟啉-紫精”的纳米颗粒后，从催化角度来看，该体系可以溶于水相，而从物化角度来看该光敏分子的给受体之间在水体系中展现出快速的电荷分离过程，并且电荷分离态的寿命长达4.3 ms。该团队认为电子转移过程来源于组装提不同单体分子间的电荷转移，而这种长寿命的分离态可归因于聚集引发的分子间电荷跳跃，或受到由电子相互作用引起的给体和受体之间距离改变的影响。工作中发现的纳米颗粒的电荷分离态的寿命比之前报道的分子自主装体要长几个数量级，而长寿命的电荷分离态可以增加电子和空穴与催化剂的碰撞几率，从而提高整个催化反应的效率。

与不具电荷分离态的卟啉纳米颗粒相比，具有长寿命分离态的“卟啉-紫精”纳米颗粒显示出更好的光催化产氢性能。并且，这种利用分子自主装纳米颗粒的策略来促进光诱导电荷分离也有望用于其他领域，如光伏器件和光催化有机反应。

这一成果近期发表在J. Am. Chem. Soc.上，文章的第一作者是乌普萨拉大学博士后蔡斌和宋宏伟。

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Promoted Charge Separation and Long-Lived Charge-Separated State in Porphyrin-Viologen Dyad Nanoparticles

Bin Cai, Hongwei Song, Andjela Brnovic, Mariia V. Pavliuk, Leif Hammarström*, and Haining Tian*

J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.3c04372

田海宁博士简介

田海宁，乌普萨拉大学物理化学系副教授。2009年于大连理工大学取得博士学位，2019年至2014年在瑞典皇家理工学院工作，2014年2月起就职于乌普萨拉大学。

研究领域是基于分子水平设计新材料用于光催化器件与光伏器件的研究。首次将polymer dots用于光催化析氢、光催化氧还原；制备了P型固态染敏太阳能电池，并对氧化镍的表面态进行详细研究。在相关领域发表SCI论文100余篇，包括以通讯作者发表的JACS、Angewandte Chemie、EES、Nano Energy等，并参与撰写四本英文书籍。曾获Göran Gustafsson青年研究奖、EPA青年研究者奖、Göran Gustafsson青年研究奖，并于2019年当选Wallenberg学术会员。

https://www.kemi.uu.se/angstrom/research/physical-chemistry/research-groups/haining-tian-group