我院张贵刚课题组在光催化全分解水领域取得新进展

近日，福州大学化学学院张贵刚课题组在晶相氮化碳光催化全分解水研究领域取得重要进展。相关成果以“Halide ion-modulated crystallization of poly(triazine imide) for efficient photocatalytic overall water splitting”为题发表在《Matter》。https://doi.org/10.1016/j.matt.2026.102861

太阳能驱动光催化分解水制氢能够将太阳能直接转化为氢能，被认为是实现“双碳”目标和未来可持续能源体系的重要技术路径。然而，光催化分解水效率受限于光生载流子的快速复合以及长程传输能力不足，开发兼具高结晶度、高载流子迁移效率和优异稳定性的光催化材料始终是该领域面临的重要挑战。聚三嗪酰亚胺（PTI）是一类具有高度有序晶体结构的聚合氮化碳材料，被认为是目前最具潜力的有机光催化全分解水体系之一。然而，一个长期困扰领域发展的科学问题亟待得到清晰解释：尽管不同卤素离子插层形成的PTI均具有较高结晶度和相似的晶体骨架，但其光催化全分解水性能却存在巨大差异。其中，Cl⁻插层的PTI表现出优异的全分解水活性，而Br⁻插层的PTI却几乎不具备分解水性能。这种结构相近而性能悬殊的现象表明，插层离子不仅是维持晶体结构稳定的重要组成部分，更影响着材料的电子结构与载流子行为。然而，插层离子在PTI晶体形成过程中的作用机制及其如何影响缺陷结构和电荷动力学仍缺乏系统认识，这限制了其光催化性能的进一步提升。

针对这一关键科学问题，研究团队从PTI晶体生长过程出发，系统研究了卤素离子对氮化碳结晶路径和电子结构演化的影响规律，提出了一种基于双卤素熔盐体系的离子调控结晶策略。研究发现，在双卤素熔盐体系中，Br⁻优先促进晶核形成，而Cl⁻主导后续晶体生长，两者协同诱导PTI按照Ostwald阶段演化规律完成由亚稳态向稳定态的结构转变。该过程有效降低了晶体生长能垒，并在相变过程中诱导适度的层间离子耗损，从而实现缺陷态能级的精准调控，使深能级陷阱转变为浅能级陷阱。多尺度结构表征、超快瞬态吸收光谱及理论计算结果进一步揭示，Ostwald阶段演化规律引导的晶体生长过程能够显著降低缺陷密度，抑制辐射和非辐射复合过程，促进光生载流子的分离与长程迁移。研究发现，传统意义上被视为结构缺陷的部分离子流失并非负面因素，而是一种能够优化电子结构和提升电荷传输效率的重要调控手段。这一发现为理解晶态聚合物半导体中的缺陷态调控机制提供了新的认识。

得益于这一创新策略，研究团队开发了一种兼具高结晶度和优化缺陷结构的PTI-ClBr光催化剂。在纯水体系中，该催化剂实现了高效太阳能驱动全分解水，其表观量子效率（AQE）在365 nm下达到39%，较传统PTI-Br提升超过300倍。同时，该催化剂在连续循环测试中保持稳定的化学计量比产氢和产氧性能，展现出优异的光化学稳定性。该研究揭示了卤素离子调控PTI结晶路径、缺陷结构与载流子动力学之间的内在关联，为高性能晶相氮化碳光催化剂的理性设计提供了新的理论依据。

福州大学化学学院张贵刚教授为论文的通讯作者，化学学院2022级博士研究生王乾为论文第一作者。该研究得到国家自然科学基金、福建省自然科学基金等项目的资助。