“补钙”后的聚合物半导体材料大幅提升光解水制氢效率

利用太阳能高效分解水制氢迎来新进展。记者从中国科学院金属研究所获悉，该所科研人员通过给一种名为聚三嗪酰亚胺（PTI）的聚合物半导体材料“补钙”，成功优化了其生长过程，使其内部的光生电荷更容易分开，并且各行其道，大幅提升了光解水制氢效率。相关研究成果发表于《自然-通讯》杂志。

PTI是一种以碳、氮为主要成分的聚合物半导体材料，具有成本低、环境友好、结构适合光催化等优点，在实现低成本、规模化太阳能制氢方面具有广阔前景。然而，它的实际效率一直不高，主要是因为其在光照下产生的正负电荷，也就是电子和空穴，很容易被“绑定”在一起形成“激子”，并最终重新“拥抱”在一起而消失，无法有效参与制氢和制氧反应。

“这就像在一个小房间里同时洗衣和晾衣，两件事互相干扰，效果自然不佳。问题的根源在于PTI材料本身的结构缺乏内在驱动力，难以将这对被‘绑定’的电荷分开。”论文通讯作者、中国科学院金属研究所研究员刘岗解释。

在这项研究中，科研人员提出了一种叫作“晶格工程”的策略，调整了PTI的生长“配方”，将原有的氯化锂/氯化钾混合熔盐，更换为氯化锂/氯化钙混合熔盐，使PTI在生长过程中引入钙元素，最终制备出 一种钙掺杂PTI六棱纳米盘。这就是所谓的“补钙”过程。

实验结果显示，“补钙”后新材料中电子与空穴之间的束缚力显著降低，其结合能从原来的48.2 meV（毫电子伏特）大幅降至15.4 meV。“这个值已低于室温下的热扰动能，意味着激子可以自动‘解散’，形成自由移动的电荷。我们利用超快光谱技术，直观地捕捉到了这一快速解离过程。”刘岗说。

值得一提的是，解离后的电子和空穴能够沿着不同路径移动，如同行驶在规划好的“单行道”上，实现了制氢与制氧反应在空间上的分离，有效避免了互相干扰和副反应。

“得益于这一改进，新材料在光解纯水制氢中的初始活性比原来提高了3.4倍。”刘岗说，这项研究不仅为PTI材料的优化提供了新路径，也为其他聚合物半导体在光能转换领域的应用打开了新思路。