韓治際教授課題組:蒽醌有機染料用于低能量光高效催化産氫
近一百年來，化石燃料的過渡開采和消耗導緻全球二氧化碳含量快速升高，如何有效發展清潔能源緩解可能存在的環境問題，早日實現雙碳目标，是目前科研工作者面臨的艱巨任務之一。基于對自然界中光合作用系統的認知，科研工作者構建了人工光合系統，通過人工光合系統将太陽能轉化為清潔能源是獲取可再生能源的一種有效策略。在到達地球表面的太陽光譜中，280–600 nm的光子不到20%，因此，開發使用長波長的陽光對提高太陽能的利用率具有重要的研究意義。在光合作用中，紅光驅動光催化質子還原是能量轉換的關鍵步驟。然而，目前長波長産氫體系的研究主要集中在貴金屬，且催化效率仍舊沒有突破性的進展。當前主要任務在于：1. 開發長波長具有優異吸收、光生電子和電子轉移效率高的光敏劑；2. 具有高效廉價的的非貴金屬催化劑；3. 體系能與其它氧化體系更好的結合。蒽醌類光敏劑是最古老的染料之一，自然界含量豐富、氧化還原性能穩定、波長調控性強、制備簡單，是本課題組近年來的一個研究重點。
圖1光催化産氫體系
近日，太阳集团1088vip韓治際教授課題組報道了一種蒽醌有機染料用于紅光下催化産氫體系（圖1）。在該體系利用低成本的蒽醌染料作為光敏劑，非貴金屬钴配合物為催化劑，在紅光條件下，穩定性高達168小時（主要受限于溶液中的電子供體完全消耗），其催化轉化次數可達78萬，轉化頻率超過7000次每小時，量子效率超過30%，是目前已報道最好的紅光人工光合産氫體系（圖2）。通過機理研究表明，光敏劑（DAHA）獨特的激發态、穩定的氧化還原性質及超快的光生電子和電子轉移速率是體系獲得高效率和穩定性的關鍵。産氫的原理是：染料吸收太陽能後，其三重激發态被還原和質子化，形成的物種有效地還原钴催化劑，逐步形成CoI、CoIII-H、CoII-H 等中間體，最後與質子反應産生氫氣（圖3）。該項工作為開發利用全太陽光譜進行各類光催化反應提供了一條新思路。
圖2 蒽醌染料在紅光下催化産氫的數據
圖3 光催化産氫的催化機理
相關成果以 “Efficient Red-Light-Driven Hydrogen Evolution with an Anthraquinone Organic Dye” 為題發表于Journal of the American Chemical Society（https://doi.org/10.1021/jacs.2c08171）。韓治際教授為通訊作者，太阳集团1088vip2019級博士生明媚為第一作者。
