具有持久反应电荷的有机半导体纳米粒子作者：Ingrid Fadelli，Tech Xplore信用：科斯科等人。由于其有利的特性，有机半导体可能是用于生产太阳能燃料的非常有前途的光催化剂。事实上，这些材料可以综合调整以吸收可见光，同时保持驱动各种过程所需的能量水平。虽然基于有机半导体的光催化剂取得了可喜的成果，但对其功能的物理理解仍然相对有限。阿卜杜拉国王科技大学 (KAUST)、伦敦帝国理工学院和牛津大学的研究人员一直在努力开发基于有机半导体的光催化剂，这种催化剂可以有效地收集太阳能，从而更可持续地用于生产氢气。他们最近发表在Nature Energy上的论文表明，异质结有机半导体纳米粒子可以产生非常持久的反应电荷，因此它们可以有效地驱动牺牲氢的释放。

“我们选择使用有机半导体来制造我们的光催化剂，因为它们的带隙可以综合调整以在可见光谱中强烈吸收，”进行这项研究的研究人员之一 Jan Kosco 告诉TechXplore。“在其他条件相同的情况下，光催化剂吸收的光越多，它就越能有效地将太阳能转化为氢。”

由无机半导体制成的最稳定的光催化剂，如 TiO 2和 SrTiO 3几乎完全吸收紫外波长，在可见光下几乎没有活性。这可能是有问题的，因为只有不到 5% 的太阳能是通过紫外线波长传输的。这从根本上将这些基于无机半导体的光催化剂的效率限制在 5% 以下。

Kosco 和他的同事着手探索有机半导体在驱动氢析出方面的潜力，以及进一步支撑其功能的光物理学。他们的研究建立在他们之前在体异质结有机半导体纳米粒子光催化剂方面的工作之上。

“重要的是开发在广泛的紫外-可见-红外波长范围内具有活性的光催化剂，以最大限度地吸收太阳光，”Kosco 解释说。“当我们看到 PM6:PCBM 纳米粒子显示出比 PM6:Y6 NP更高的 H 2演化速率时，我们最初感到惊讶。”当他们第一次开始进行实验时，Kosco 和他的同事预计会发现 PM6:Y6 纳米颗粒比 PM6:PCBM 纳米颗粒更活跃，因为已知 Y6 比 PCBM 吸收更多的太阳光谱。然而，当他们测量 PM6:Y6 和 PM6:PCBM 纳米粒子的外部量子效率 (EQE) 时，他们发现后者能够将它们吸收的大部分太阳能转化为产生氢的电荷。

“换句话说，我们发现 PM6:PCBM 纳米颗粒具有更高的 EQE，”Kosco 说。“这使它们能够比 PM6:Y6 纳米颗粒产生更多的氢气，即使它们吸收的光更少。”

在测量了纳米粒子的 EQE 后，Kosco 和他的同事们使用一系列超快和操作光谱方法对它们进行了探测。他们的希望是揭示支撑他们在 PM6:PCBM 纳米颗粒中观察到的更高 EQE 的机制。

“我们使用这些技术来跟踪负责将光子转换为催化活性电荷的光物理过程，时间尺度从皮秒到秒不等，”Kosco 说。“这些方法表明，PM6:PCBM 纳米粒子更擅长将吸收的光子转化为长寿命的催化活性电荷，我们认为这是它们高 H 2生产效率的关键原因。”

Kosco 和他的同事还使用低温透射电子显微镜 (Cryo-TEM) 对纳米颗粒进行了成像。这是一种先进的电子显微镜技术，使研究人员能够在低温条件下快速冷冻样品并捕获其图像，从而保留其天然结构。使用 Cryo-TEM，该团队能够生成纳米粒子的图像，这些图像以纳米级分辨率清晰地捕捉到它们的内部形态，同时它们被悬浮在玻璃化水中。

“我们预计电荷会在我们的纳米颗粒中形成，因为它们内部存在 II 型异质结，”Kosco 解释说。“然而，我们并不期望电荷在纳米颗粒内‘存活’这么久。光生电荷通常在微秒时间尺度上重新组合，但我们甚至在光激发后几秒钟就观察到纳米颗粒中的电荷。”

与有机半导体通常表现出的寿命相比，研究人员在实验中观察到的光生电荷的寿命非常长。这种非常长的寿命可能是支撑其高性能的主要因素，因为它延长了电荷参与纳米颗粒表面氧化还原反应的时间，而这些反应已知相对较慢。

“我们希望这种新型的高活性有机半导体光催化剂将加速高效可见光活性析氢光催化剂的开发，用于整体水分解 Z 方案，”Kosco 说。“在水分解 Z 方案中，析氢光催化剂与析氧光催化剂耦合，两种光催化剂共同驱动水分解为 H 2和 O 2。这类似于光系统 1 和光系统 2 如何将阳光转化为化学能在绿色植物的光合作用过程中。”

未来，Kosco 及其同事发现的有前途的光催化剂可用于创造新的、性能更好的太阳能燃料技术。虽然到目前为止研究人员主要评估了它们驱动析氢反应的潜力，但要应用于实际环境，该反应应该与析氧过程相结合，将水分解成 H 2和 O 2。

“我们现在正在继续开发用于 H 2释放、O 2释放和 CO 2还原为合成燃料的光催化剂，”Kosco 补充说。