高效光催化分解水制氢的人工光合组装体

刘忠范

(北京大学化学与分子工程学院，北京 100871)

高效光催化分解水制氢的人工光合组装体

刘忠范

(北京大学化学与分子工程学院，北京 100871)

自组装是组装基元通过非共价键的相互作用自发形成特定结构的过程，是创造新物质和产生新功能的重要手段。自然界光合作用中心的原初反应是由集成在光合膜中的功能分子组装体高效完成。通过分子设计和组装手段构筑人工光合组装体不仅可以从结构和功能上模拟自然界光合作用中心制氢放氧的反应过程，而且能够为设计具有高效光催化分解水功能的人工光合组装体开辟新途径。

最近，中国科学院理化技术研究所吴骊珠研究员带领的超分子光化学研究团队利用量子点这一新兴“人工原子”优异的可见光响应、多激子生成、光生激子分离及迁移的特点，获得了比分子和半导体光催化体系更高、更快、更强的人工光合成分解水制氢的效率和稳定性1-4。随着研究的不断深入，量子点小的尺寸和复杂的表面性质使其很难直接键连助催化剂，即使直接在量子点表面负载助催化剂(如铂颗粒)，电荷的回传和量子点表面缺陷的形成极大影响体系性能的发挥。因此，如何加强小尺寸量子点与产氢助催化剂之间的相互作用，加快光生电荷界面迁移成为人工光合成体系制氢效率提升的关键5-8。

针对这一挑战，团队成员利用纳米颗粒自组装的方式，实现了量子点与产氢助催化剂铂颗粒的组装，显著提升了人工光合成制氢体系的效率。组装体中单个助催化剂与多个吸光单元的相互作用有利于还原质子产氢这一多电子过程的发生。特别有意义的是，研究团队通过稳态和时间分辨的技术手段证实纳米颗粒组装体在保证量子点表面结构完整的同时，拉近了量子点与助催化剂铂颗粒的距离，使量子点到铂颗粒的电子转移达到了皮秒级，远远大于扩散控制的电子转移速率。得益于此，组装体在可见光照下的初始产氢内量子效率可高达～65%，产氢催化循环数＞ 1.64 × 107(基于铂颗粒)。这一研究策略极大提升了量子点人工光合成体系的效率，具有一定的普适性。相关结果发表在Journal of the American Chemical Society杂志上9。其中，X射线吸收光谱得到了中科院高能所陶冶研究员和美国阿贡国家实验室张晓艺研究员的合作，超快瞬态吸收光谱得到了中国人民大学张建平教授的合作。

(1) Wu, L. Z.; Chen, B.; Li, Z. J.; Tung, C. H. Acc. Chem. Res. 2014, 47, 2177. doi: 10.1021/ar500140r

(2) Han, Z.; Qiu, F.; Eisenberg, R.; Holland, P. L.; Krauss, T. D. Science 2012, 338, 1321. doi: 10.1126/science.1227775

(3) Chen, Y.; Zhao, S.; Wang, X.; Peng, Q.; Lin, R.; Wang, Y.; Shen, R.; Cao, X.; Zhang, L.; Zhou, G.; Li, J.; Xia, A.; Li, Y. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 4286. doi: 10.1021/jacs.5b12666

(4) Li, X.-B.; Li, Z.-J.; Gao, Y.-J.; Meng, Q.-Y.; Yu, S.; Weiss, R. G.; Tung, C.-H.; Wu, L.-Z. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 2085. doi: 10.1002/anie.201310249

(5) Zhu, H.; Song, N.; Lv, H.; Hill, C. L.; Lian, T. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 11701. doi: 10.1021/ja303698e

(6) Li, Z.-J.; Li, X.-B.; Wang, J.-J.; Yu, S.; Li, C.-B.; Tung, C.-H.; Wu, L.-Z. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 465. doi: 10.1039/c2ee23898e

(7) Xu, Y.; Ye, Y.; Liu, T.; Wang, X.; Zhang, B.; Wang, M.; Han, H.; Li, C. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 10726. doi: 10.1021/jacs.6b04080

(8) Li, X.-B.; Liu, B.; Wen, M.; Gao, Y.-J.; Wu, H.-L.; Huang, M.-Y.; Li, Z.-J.; Chen, B.; Tung, C.-H.; Wu, L.-Z. Adv. Sci. 2016, 3, 1500282. doi: 10.1002/advs.201500282

(9) Li, X.-B.; Gao, Y.-J.; Wang, Y.; Zhan, F.; Zhang, X.-Y.; Kong, Q.; Zhao, N.-J.; Guo, Q.; Wu, H.-L.; Li, Z.-J.; Tao, Y.; Zhang, J.-P.; Chen, B.; Tung, C.-H.; Wu, L.-Z. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 4789. doi: 10.1021/jacs.6b12976

Artificial Photosynthetic Framework for Exceptional Solar H2Evolution

LIU Zhong-Fan
(College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University, Beijing 100871, P. R. China)

10.3866/PKU.WHXB201704121