各向异性量子点人工光合成催化剂的构筑及其光催化制氢性能研究

Conversion of solar energy to chemical fuels, especially in the form of molecular hydrogen, is one of the most ideal approaches to solve energy crisis and environment pollution. Given the advantages in visible-light absorption, exciton generation and charge separation, quantum dots (QDs) have been widely used in the field of artificial photosynthesis and many hydrogen production systems have been fabricated by employing isotropic QDs as photosensitizers. This project is to fabricate novel methods to synthesize anisotropic QDs under mild condition. By using in situ or ex situ methods, the anisotropic QDs are modified to ensure the control of wave functions of excitons and the targeted loading of cocatalysts on the surface of QDs. In this regard, we also aim to clarify the relationship between the structure and surface/interface property of QDs and the performance of artificial photosynthetic systems, which will provide novel approaches to construction of artificial photosynthetic systems with higher efficiency and better stability.

将太阳能转化为化学能，并以氢气的形式储存是解决能源短缺、环境污染的理想途径。量子点因其在可见光捕获、激子生成和电荷分离等方面表现出的卓越性能，正在成为人工光合成制氢领域的宠儿，基于各向同性量子点的人工光合成制氢体系被不断报道。本项目拟建立在温和条件下制备各向异性量子点的新方法，并通过原位或非原位手段对量子点表界面进行修饰，实现产氢助催化剂在量子点表面的可控负载，达到调控量子点光生激子空间分布以及促进自由电荷界面迁移的目的，建立量子点人工光合成制氢体系性能与量子点结构、表界面特性、催化剂作用方式之间的内在联系，为构筑来源广泛、廉价高效、实用性强、简单易得的人工光合成制氢体系提供新的途径。

由于其在可见光捕获、激子生成以及电荷分离等方面的独特优势，半导体量子点被认为是构筑高效稳定的人工光合成系统实现太阳能到化学能转换的有效途径。在本项目的支持下，我们通过量子点的表面调控、尺寸筛选以及结构改性等手段，显著提高了其可见光捕获效率和光生电荷的分离效率，基于量子点构筑了一系列高效、稳定的人工光合成催化剂。进一步地，我们利用时间/空间分辨谱学技术（例如时间分辨X-射线吸收光谱，飞秒瞬态吸收光谱等）揭示了界面电荷转移的动力学过程以及催化中心的结构和作用机制，为设计高效的人工光合成催化剂提供了指导。主要成果包括：（1）通过构筑量子点/助催化剂组装体，将可见光催化产氢的催化转化数提高至1600万，是目前国际上报道的最好结果；（2）通过量子点表面修饰，半导体量子点的产氢催化剂转化数可高达40万，为无外加助催化剂条件下的国际最高值；（3）构筑量子点组装体敏化的光阴极，并通过优化空穴传输层和调控组装体的负载量，实现了高效的可见光驱动全解水制氢；（4）利用时间/空间分辨的原位谱学技术，揭示了真是催化条件下活性中心的结构和作用机制。在过去的三年时间里，我们来取得了一系列具有自主知识产权的高水平研究成果，共发表SCI论文24篇，影响因子大于6的研究论文19篇，其中包括Nat. Rev. Chem.、Chem、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Catal.、Adv. Funct. Mater.、J. Mater. Chem. A.等。申请中国发明专利2项，授权1项。研究成果受到了国内外同行的广泛关注和高度评价。