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有机光催化剂用于太阳能水分解:分子水平和聚集体水平改性

         
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利用太阳能光解水产氢是实现氢能开发最绿色且可持续的理想技术。为了提高太阳能的转换效率,设计和发展高效、稳定、宽/全光谱响应光催化产氢体系成为关键研究课题。相比于无机半导体,有机半导体具有丰富的π电子和结构可修饰性,使其光学吸收和能带结构易剪裁,光催化路径多样。但低的介电常数造成其载流子迁移率低及迁移距离短。通过有目的地改变有机分子结构,可以轻松地设计和调控有机半导体的能带位置、增加摩尔吸光系数,改善材料对于整个太阳光谱中可见光或红外光的利用;通过功能分子微纳组装或集成,可进一步获得不同组分、维度(0维、1维、2维、3维)、尺寸、晶体学取向的有机光催化剂。有机微纳/复合结构的优异的比表面积、分子排布结构或能级排列结构可进一步提高太阳能的利用率和光生电荷的传输/分离效率,从而提高整体光电转换效率和产氢效率。然而,由于复杂的反应过程和设计困难,整个有机半导体的光催化物理化学过程仍不清楚。在这里,光催化的基本原理从光捕获、光激发电荷分离、表面反应的角度进行了讨论。随后详细总结了有机半导体纳米结构的制备方法包括超分子自组装、再沉淀法、气相沉积法以及其他方法。描述了典型的有机半导体材料,包括苝二酰亚胺、四吡咯化合物、富勒烯、g-C3N4及其他共轭聚合物的微纳结构调控,光物理性质调变及其在光解水产氢中的应用,目的是阐明结构-性质-性能之间的构效关系,从而进一步指导光催化剂的合理设计。重点针对有机半导体存在的问题,介绍了其在光催化产氢应用中改性策略:分子水平上引入不同取代基、基团、原子取代;聚集体水平上调整不同形貌和尺寸、组分和维度、设计多孔结构,从而获得更高效的光催化产氢性能。最后,提出了有机纳米材料在光解水产氢中的关键挑战和未来前景展望。

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