近日，華中農業大學理學院陳浩教授領銜的“先進材料與綠色催化”團隊與日本國立材料研究所葉金花教授合作，在
Nature Communications在線發表了題為Intermolecular cascaded π-conjugation channels for electron delivery powering CO2 photoreduction的研究論文，該研究首次報道了聚合物分子內-分子間“雙重共軛”效應的調協機制，創造性的構建了載流子傳遞的“高速路”，提出了促進載流子傳遞助力CO2光還原的新策略，為通過利用太陽能控制全球碳平衡提供了有效路徑。
當前，全球的燃燒化石燃料產生的CO2的年排放量高達368億噸，而現有的CO2轉化技術通常需消耗大量電力資源，且伴隨有額外的溫室氣體排放。開發基於太陽能光催化技術實現清潔、廉價的CO2資源化利用，對應對全球氣候變化及獲取廉價和清潔能源具有重大戰略意義，也是當前能源環境研究領域的前沿。然而，受制於光生載流子的傳遞效率，現有的光催化CO2還原反應效率低下，尚不能令人滿意。如何實現高效的光生載流子定向轉移不僅是當前光催化領域研究的難點，也是提升光催化CO2還原反應效率的關鍵。
基於此，理學院陳浩教授領銜的“先進材料與綠色催化”團隊與國內外多家科研機構展開科研合作，以選取共軛聚合物為催化劑，通過結構設計調控，獲得了具有強共軛體系的聚合物及消除不飽和炔基後的弱共軛體系聚合物。研究發現，消除作為分子內電子傳輸“橋樑”的炔基後，光生載流子更容易在局部累積，進而與CO2還原助催化劑的電子雲發生交錯，優化分子間π-π堆砌作用。上述針對共軛聚合物的分子內-分子間共軛作用的調協效應，可構築基於π-π堆疊作用的分子間載流子傳輸“通道”，並在光催化過程中，將共軛聚合物受光激發產生的電子由分子內無序傳遞調整為分子間定向轉移，從而使定向轉移的電子通過助催化劑的金屬中心持續向CO2分子注入電子，進而實現CO2還原。
該研究首次通過理論計算和瞬態光譜技術揭示了共軛聚合物“雙重共軛”的可控協調性，揭示了通過非共價健相互作用途徑增強電荷轉移的證據和機理。改性聚合物通過去除電子傳輸“橋樑”炔基，成功阻止了電子離域，並利用分子間建立的傳輸“通道”將局域化電子定向轉移至活性位點，因而表現出很高的CO2還原效率（CO產生速率高達2247 μmol·g-1 h-1），比未經修飾的聚合物活性提高了138倍。通過調控 “雙重共軛”效應建立的CO2光還原體系，為解決光催化反應中載流子定向傳遞這一關鍵問題提供了新思路，對後續建立高效的光催化CO2光還原體系具有重要科學價值。
理學院汪聖堯副教授、丁星副教授、日本國立材料研究所海曉博士、華中科技大學金尚彬副教授為論文共同第一作者，理學院陳浩教授和日本國立材料研究所葉金花教授為論文共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、日本文部省科研經費、湖北省自然科學基金及校自主創新基金的資助。
來源 南湖新聞網
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14851-7#Ack1
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