高效光催化全分解水制氢科研成果科普展示

依托项目：国家自然科学基金重点项目《高效全分解水制氢的氮化碳基光催化剂及其表界面动力学调控》，项目负责人：王心晨教授，项目批准号：22032002

项目背景

太阳能是地球上最丰富、最清洁的能源之一，而将太阳能直接转化为化学能——例如通过水分解制氢——是一条实现可再生能源利用的重要途径。氢能因其清洁、高效、燃烧产物仅为水，成为未来新能源发展的关键方向。我们的研究项目“高效全分解水制氢体系构建及表界面动力学调控”致力于开发新型光催化材料，实现高效、稳定的光催化分解水制取绿氢，为可持续能源利用提供科学基础和技术支撑。

核心科学与技术创新

1. 高效光催化材料设计

项目重点开发了氮化碳（C₃N₄）及其晶相材料，如PTI单晶和melon单晶。通过调控分子结构、晶体结晶度和缺陷分布，我们显著提升了光吸收能力和光生电荷的分离效率。例如，通过熔盐法调控PTI晶体生长，使其光催化效率大幅提高；开发的单晶melon材料光生载流子迁移距离更长，寿命更高，其水分解活性比传统材料高出近百倍。

2. 光生载流子动力学调控

光催化制氢的核心在于如何让光生电子和空穴高效分离并迁移到催化活性位点。项目通过构建多种界面结构，包括范德华结、分子异质结和同质结，形成内部电场，引导载流子定向迁移，显著降低电子与空穴复合几率。研究发现，通过调控层间堆叠和晶格匹配度，材料中光生载流子的迁移效率和寿命可大幅提升，从而显著提高光催化性能。

3. 高效表面结构与助催化剂设计

氮化碳光催化剂的表面状态决定了水分解反应的活性和效率。项目在材料表面引入正负电荷中心、构筑局部电场，并结合核壳结构助催化剂（如Rh/Cr₂O₃、CoO_x），有效加速电子和空穴的迁移，抑制逆反应，提高光催化制氢效率。通过有机配体修饰助催化剂表面，进一步稳定催化剂结构，使反应更加高效和持久。

4. 新型非金属光催化剂开发

除了氮化碳，项目还开发了多种新型共轭聚合物（CPs）、共价三嗪框架（CTFs）和硼碳氮（BCN）材料。这些材料通过分子设计优化光吸收、电荷分离及表面活性，使光催化效率显著提升。例如，富含缺陷的介孔BCN材料可以在室温下活化甲烷C-H键，实现绿色烷烃转化；氰基工程和B-N路易斯对设计则提高了聚合物光催化剂的电子迁移效率和稳定性。

项目成果与社会价值

· 高效制氢性能：PTI单晶光催化剂在实验条件下光催化制氢效率达到37.8%表观量子效率，太阳能至氢能转换效率达0.43%；

· 可见光响应拓宽：通过分子和结构改性，氮化碳光催化剂可有效利用波长达700 nm的可见光；

· 材料通用性：开发的策略可拓展至多种聚合物和非金属材料，为光催化、CO₂还原、有机合成提供通用平台；

· 环境与能源贡献：实现清洁、高效的水制氢，为新能源开发和碳减排提供技术支持。

未来展望

项目将继续优化材料性能，提升可见光全分解水效率，并探索催化剂固载化及规模化应用。通过科学与技术创新，我们希望为绿色能源发展和可持续社会建设贡献力量。