太陽(yáng)能和水是地球上最豐富的資源，利用太陽(yáng)能將水分解產(chǎn)生氫氣（H2）和氧氣（O2）是生產(chǎn)清潔可儲(chǔ)存化學(xué)燃料的有效途徑之一。發(fā)展高效光催化劑能夠充分利用太陽(yáng)光實(shí)現(xiàn)水分解反應(yīng)，一直是清潔能源研究的熱點(diǎn)。有機(jī)高分子材料具有分子、電子結(jié)構(gòu)可控的特點(diǎn)，并且制備成本較低，是替代傳統(tǒng)高成本無(wú)機(jī)光催化材料的理想催化劑。然而，發(fā)展能夠在可見光（> 400 nm）下進(jìn)行有效純水分解的有機(jī)高分子光催化劑仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
最近，來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐航勛以及武曉君的研究團(tuán)隊(duì)在Advanced Materials上報(bào)道了一種能夠在可見光下實(shí)現(xiàn)純水分解共軛有機(jī)高分子納米片催化劑。研究人員將1,3,5-三(4-乙炔苯基)苯 （TEPB）和1,3,5-三乙炔苯 (TEB）通過(guò)簡(jiǎn)單的Glaser coupling反應(yīng)聚合得到具有超薄片層形貌的高分子納米片。所制備的PTEPB以及PTEB的能帶結(jié)構(gòu)符合全水分解的電勢(shì)范圍，并且超薄二維片狀結(jié)構(gòu)使得光生電子和空穴能夠快速分離并到達(dá)聚合物表面發(fā)生還原以及氧化反應(yīng)。這些特征使得PTEPB以及PTEB能在可見光照射下分解純水（即不含通常所需的犧牲劑和助催化劑）產(chǎn)生H2和O2，從而實(shí)現(xiàn)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成氫能燃料。
上述材料使用全光譜測(cè)量的太陽(yáng)能到氫氣的轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)0.6 ％，大大超過(guò)了植物通過(guò)光合作用將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)的效率 （全球平均值?0.10 ％）。這也是含有1,3-二炔基團(tuán)的共軛高分子材料應(yīng)用于光催化方面的首次報(bào)道。
圖1.超薄層狀高分子納米片PTEPB和PTEB的制備示意圖以及TEM照片。
在可見光（> 420 nm）照射下，使用PTEPB和PTEB在純水中的產(chǎn)氫速率分別為218和102 umol h-1 g-1，并且所產(chǎn)生的H2和O2摩爾量比值非常接近于水全分解時(shí)的化學(xué)計(jì)量比。在經(jīng)過(guò)48小時(shí)的循環(huán)試驗(yàn)后，PTEPB和PTEB均保持較好的催化穩(wěn)定性。同時(shí)，第一性原理計(jì)算結(jié)果表明，PTEPB和PTEB進(jìn)行全光解水熱力學(xué)上是可以發(fā)生的，并且兩者所含有1,3-二炔基團(tuán)結(jié)構(gòu)中的碳原子為全光解水反應(yīng)提供了活性位點(diǎn)，證實(shí)了1,3-二炔基團(tuán)在調(diào)控催化劑電子結(jié)構(gòu)和提供水分解反應(yīng)的活性位點(diǎn)方面至關(guān)重要。
圖2. PTEPB和PTEB在可見光下分解純水產(chǎn)生H2和O2時(shí)間-產(chǎn)量曲線。
這項(xiàng)工作在發(fā)展共軛高分子材料利用太陽(yáng)光光解水產(chǎn)氫領(lǐng)域取得了重大的突破，同時(shí)也為今后設(shè)計(jì)和合成能夠利用太陽(yáng)光實(shí)現(xiàn)純水分解的有機(jī)高分子光催化劑提供了新的思路和見解。
該工作得到了科技部973計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目等資金支持。
論文題目為：Conjugated Microporous Polymer Nanosheets for Overall Water Splitting Using Visible Light
論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201702428/epdf
