氢能因其高能量密度、使用过程零污染和无碳排放等特性，被视为未来能源发展的重要方向。太阳能光催化制氢是“绿氢”制备的重要手段，但由于太阳光中紫外线仅占 5%，因此需要开发能够利用可见光和近红外光的高效光催化剂，以提高太阳能转化为氢能的效率，从而满足应用需求。有机光伏材料具有结构多样、带隙可调和吸收范围广的特点，因此成为极具吸引力的光催化剂。然而，有机光伏材料的强电声耦合作用使光生激子和载流子局域化，导致激子解离活化能高、载流子寿命短，从而限制了光催化产氢的活性。

在国家自然科学基金委的支持下，化学所有机固体院重点实验室林禹泽课题组近年来围绕高效率有机光伏催化剂开展了系统研究，取得了系列成果(Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61,e202114234;J. Am. Chem. Soc. 2022, 144,12747-12755;Angew. Chem. Int. Ed. 2023,62,e202217989;Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202307466)。

近期，该课题组通过合理的氟取代策略，合成了具有电声耦合弱和激发态离域程度高的有机光伏催化剂（2FBP-4F）。在模拟太阳光照射下，该催化剂表现出优异的光催化产氢活性，其产氢速率达到207.6~561.8 mmol g^-1 h^-1，近红外区（@808 nm）外量子效率可达13.9%。由于氟原子的高电负性及其与硫原子、氢原子形成非共价相互作用，2FBP-4F表现出大的分子偶极矩和有序分子堆积，从而降低Huang-Rhys因子，减弱电声耦合，增强激发态离域。光激发的2FBP-4F纳米颗粒中可观测到极化子，这在有机光伏材料中实属罕见。极化子的产生促进了2FBP-4F单组分和异质结中光生载流子的形成，从而提高了其光催化产氢活性。

相关研究成果近日发表在Angew. Chem. Int. Ed.2024,e202402343。论文第一作者为博士后张珍珍，徐超颖为共同第一作者，通讯作者为林禹泽研究员和杨晔教授（厦门大学）。

激发态离域的有机光伏催化剂提高光催化制氢活性

有机固体院重点实验室

2024年6月14日