瑞典烏普薩拉大學(xué)的研究人員在一篇文章中提出一種低成本，環(huán)保的有機(jī)聚合物納米材料可作為生成氫氣的光催化劑，并提出了光催化反應(yīng)的工作機(jī)理。

    研發(fā)出催化水轉(zhuǎn)化成光驅(qū)氫反應(yīng)的光催化劑是轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存太陽(yáng)能的理想方式。光催化劑是指在光子的激發(fā)下，能夠起到催化作用的化學(xué)物質(zhì)的統(tǒng)稱。光催化是在一定波長(zhǎng)光照條件下，使半導(dǎo)體材料發(fā)生光生載流子的分離，然后光生電子和空穴再與離子或分子結(jié)合成具有氧化性或還原性的活性自由基，這種活性自由基能夠?qū)⒂袡C(jī)大分子降解為二氧化碳或其他小分子有機(jī)物以及水，在反應(yīng)過(guò)程中這種半導(dǎo)體材料，也就是光催化劑本身不發(fā)生變化。由于光吸收能力有限、成本高和在無(wú)機(jī)催化劑中具有潛在的金屬污染物，科學(xué)家們開(kāi)始尋找有機(jī)替代品。烏普薩拉研究人員研究了有機(jī)聚合物作為光催化劑（光驅(qū)催化劑）。所有現(xiàn)有有機(jī)光催化劑的瓶頸是它們的疏水性（水不溶性的），疏水性分子偏向于非極性，使得質(zhì)子難以滲透到材料的孔內(nèi)并與反應(yīng)性位點(diǎn)相互作用。因此，基于這些材料的光催化性能仍然落后于傳統(tǒng)的金屬基無(wú)機(jī)光催化劑。科學(xué)家們必須在反應(yīng)器中加入大量有機(jī)溶劑，以便有機(jī)聚合光催化劑具有良好的分配性。

    使用所謂的納米級(jí)沉淀法將有機(jī)聚合物光催化劑制備成小型納米級(jí)粒子，可以使有機(jī)光催化劑很好地分散在水溶液中。“在親水共聚物的幫助下（親水共聚物指富含極性Y水基團(tuán)的有機(jī)聚合物，包括淀粉、蛋白質(zhì)、聚丙烯胺等合成高分子），我們能夠在小型納米級(jí)粒子光催化劑內(nèi)部提供質(zhì)子通道，以模擬天然光合作用系統(tǒng)，從而大大提高氫氣的性能。”？ngstr?m實(shí)驗(yàn)室化學(xué)系的Haining Tian說(shuō)。 他的研究小組去年發(fā)表了概念驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)證明（Angew.Chem.Int.Ed，2016,55（40），12306）。為了進(jìn)一步了解該系統(tǒng)并進(jìn)一步完善該系統(tǒng)，Haining Tian與研究部門的同事？ngstr?m，實(shí)驗(yàn)室研究員C. Moyses Araujo共同領(lǐng)導(dǎo)完成了關(guān)于小型納米級(jí)粒子光催化劑和光催化作用機(jī)理中的反應(yīng)位點(diǎn)的研究實(shí)驗(yàn)。

    通過(guò)調(diào)整聚合物的結(jié)構(gòu)和分析比較不同的光催化機(jī)理，研究人員可以大致找到位于電子受體單元上的反應(yīng)位點(diǎn)，并得出結(jié)論，認(rèn)為雜原子在光催化反應(yīng)中起關(guān)鍵作用。Haining Tian說(shuō)：“難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得關(guān)于哪個(gè)雜原子？或小號(hào)是電子受體單元中的反應(yīng)性位點(diǎn)的準(zhǔn)確信息”。在基于第一原理理論的計(jì)算研究的幫助下，科學(xué)家們最終把目標(biāo)放在Pdots光催化劑（N原子）中的真實(shí)反應(yīng)位點(diǎn)上，并且還得出結(jié)論，獨(dú)特的Pdots結(jié)構(gòu)有利于質(zhì)子的還原反應(yīng)。Pdot光催化劑中的兩個(gè)聚合物之間形成的氫鍵明顯降低了質(zhì)子還原反應(yīng)的能量勢(shì)壘，Pdot確實(shí)是一種理想的光催化劑，C. Moyses Araujo說(shuō)。

    在這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上，科學(xué)家現(xiàn)在正在通過(guò)合理調(diào)整光驅(qū)氫生成的聚合物結(jié)構(gòu)來(lái)瞄準(zhǔn)更有效和穩(wěn)定的Pdots催化劑。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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