颗粒光催化全水分解（PPOWS）由于具有简单、易于操作和低投资成本特性，被认为是直接生产太阳能燃料最具颠覆性和竞争力的方法之一。然而，在传统的PPOWS过程中，析氢反应和析氧反应在同一光催化剂的表面位点上，从时间和空间上紧密耦合，这不仅带来了严重的H₂-O₂逆反应，还存在H₂/O₂混合物爆炸的风险。因此，在光催化全水分解反应中分离H₂和O₂的巨大成本和风险是工业化应用PPOWS的重要挑战。

福州大学的张子重教授和沈锦妮副教授等借鉴自然界光合作用中产氢产氧时空分离原理，提出了一种新的设计理念来解耦PPOWS中的H₂和O₂生产过程。该系统只需要一种光催化剂，就能够在特定波长的光照下（例如紫外线）储存氧气并产生氢气，然后在另一种波长的光照下（例如可见光或红外光）释放储存的氧气并再生其结构。通过交替照射两种不同波长的光，可以在同一空间中实现氢气和氧气生成的时间解耦（如图所示）。

图A 光解水解耦系统示意图；图B 光解水解耦催化机理图

基于这一概念，作者们构建了一种三组分复合光催化剂Co-HPCN/(rGO/Pt)，由光响应的聚合物氮化碳芯片（HPCN）、产氢助催化剂（rGO/Pt）以及能够可逆结合氧气的钴配合物（Co）组成，旨在通过交替365 nm和435 nm光照射下解耦PPOWS的过程。实验表征和理论计算证实Co-HPCN/(rGO/Pt)具有[Co(II)N₄(H₂O)₂]²⁺结构。该结构被365 nm紫外光激发产生的空穴氧化生成[Co(III)N₄(O₂-)]²⁺，将氧气以配合物的形成存储起来；同时光生电子在rGO/Pt进行产氢和释放。当反应体系切换至435 nm可见光照射时，[Co(III)N₄(O₂-)]²⁺光解释放出氧气，再与水结合回到初始[Co(II)N₄(H₂O)₂]²⁺结构，实现了全水分解过程中H₂和O₂生产的时间分离。

这一成果发表在Angewandte Chemie International Edition上，论文的第一作者为2021年毕业于福州大学化学学院的刘丹博士（现任教于闽江学院材料与化学工程学院），福州大学的付贤智院士、王绪绪教授、张子重教授和沈锦妮副教授为本研究提供了重要的指导。这项研究工作得到了国家自然科学基金的大力支持。

论文信息

“Decoupling H₂ and O₂ Release in Particulate Photocatalytic Overall Water Splitting Using a Reversible O2 Binder”, Dan Liu, Huihui Xu, Jinni Shen*, Xun Wang, Chengwei Qiu, Huaxiang Lin, Jinlin Long, Ying Wang, Wenxin Dai, Yuanxing Fang, Yanhui Yang, Xuxu Wang, Xianzhi Fu, and Zizhong Zhang*. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202420913.