近期，中國科學院金屬研究所太陽能與氫能材料研究團隊，利用“晶格工程”策略，通過給光催化材料聚三嗪酰亞胺（PTI）“補鈣”改變其生長的“配方”，成功讓它內部的光生電荷更容易分開并且各行其道，從而提高了太陽能水制氫效率。該研究成果近期發表在《自然·通訊》上。
聚三嗪酰亞胺（PTI）是一種碳氮聚合物半導體，因其低成本、環境友好、能帶結構合適等特性，被認為在開展低成本規模化全分解水制氫方面具有巨大潛力。然而，當前PTI的光催化分解純水制氫效率仍然較低，主要原因是其作為聚合物材料的致命弱點：當光照射時，PTI中成對產生的光生電荷（帶負電、具有還原性的電子和帶正電、具有氧化性的“空穴”）會很容易被引力“綁定”在一起、形成“激子”，并最終重新“擁抱”在一起消失掉，不能參與到相應的反應中，這也是許多聚合物半導體材料在將光能轉化為其他能量形式時面臨的共同挑戰。
本項研究中，研究人員改變了PTI材料的生長環境和形核生長的基體。以往制備PTI時，使用的是氯化鋰和氯化鉀的混合熔鹽，并由熔鹽冷卻時析出的晶體作為PTI形核和生長的基體。研究人員改用氯化鋰和氯化鈣的混合熔鹽，最終制備出了一種鈣摻雜PTI六棱納米盤。與此前的PTI光催化劑相比，“補鈣”后的催化劑“激子”中光生電子和“空穴”之間的結合能從48.2毫電子伏大大降低到15.4毫電子伏，比室溫下的熱擾動能（25.7毫電子伏）還要低，即在室溫環境的熱擾動下，激子中的光生電子和“空穴”就會自動“分手”，產生激子自發解離現象，形成自由電荷。
得益于“補鈣”產生的功效，光催化劑分解純水初始制氫活性提高了3.4倍。該研究為調控聚合物半導體光催化材料的光物理屬性、推動聚合物半導體材料在不同光能轉換場景中的應用，提供了可參考的有效策略。
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