I en artikel i tidningen Energi- och miljövetenskap , forskare från Uppsala universitet, Sverige, presentera en typ av billigt och miljövänligt organiskt polymert nanomaterial som fotokatalysatorer för vätegenerering, och föreslå arbetsmekanismen för det fotokatalytiska reaktiva stället.

Utveckling av fotokatalysatorer för ljusdriven vätgasgenerering från vatten är ett idealiskt sätt att omvandla och lagra solenergi. På grund av begränsad ljusabsorption, hög kostnad och potentiell metallförorening från oorganiska katalysatorer, forskare har börjat leta efter ekologiska alternativ. I det här arbetet, Uppsalaforskarna har studerat organiska polymerer som fotokatalysatorer (ljusdrivna katalysatorer). Flaskhalsen för alla befintliga organiska fotokatalyter är att de är hydrofoba (vattenolösliga), vilket gör det svårt för protoner att tränga in i materialens porer och att interagera med reaktiva platser. Följaktligen, prestandan för fotokatalys baserad på dessa material ligger fortfarande bakom de traditionella metallbaserade oorganiska fotokatalysatorerna. Forskare måste tillsätta mycket organiskt lösningsmedel i reaktorn för att göra en god dispenserbarhet av organisk polymer fotokatalysator.

Genom att använda en så kallad Nano-skala utfällningsmetod för att förbereda den organiska polymera fotokatalysatorn till små nanoskaliga partiklar (Pdots) kan göra den organiska fotokatalysatorn snyggt dispergerad i vattenlösning. "Med hjälp av hydrofil sampolymer, vi kan tillhandahålla protonkanaler inuti Pdot-fotokatalysatorn för att efterlikna det naturliga fotosyntessystemet. Detta kan dramatiskt förbättra prestandan för vätegenerering", säger Haining Tian, Docent från Institutionen för kemi - Ångströmlaboratoriet. Hans forskargrupp publicerade proof-of-concept-arbetet förra året (i Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55(40), 12306). För att förstå mer om systemet och ytterligare förbättra det, Haining Tian tillsammans med sin forskarkollega C. Moyses Araujo från Institutionen för fysik-Ångströmlaboratoriet har tillsammans lett arbetet med att gräva ut de reaktiva platserna i Pdot-fotokatalyterna och fotokatalytiska arbetsmekanismen.

Genom att justera strukturen hos polymerer och utvärdera olika fotokatalytiska mekanismer, forskarna kunde ungefär hitta de reaktiva platserna vid elektronacceptorenheterna och drog slutsatsen att heteroatomerna borde spela en avgörande roll vid fotokatalyts. "Det är svårt att experimentellt få korrekt information om vilken heteroatom, antingen N eller S, är den reaktiva platsen i elektronacceptorenheten", säger Haining Tian. Med hjälp av en beräkningsstudie baserad på teorin om de första principerna, forskarna inriktade sig så småningom på den verkliga reaktiva platsen i Pdots fotokatalysatorer – N-atomerna – och drog också slutsatsen att den unika Pdots-strukturen är fördelaktig för protonreduktionsreaktioner. "Vätebindning som bildas mellan två polymerer i Pdot-fotokatalysatorer sänker energibarriären avsevärt för protonreduktionsreaktionen. Pdots är verkligen en typ av idealiska fotokatalysatorer", säger C. Moyses Araujo.

På grundval av detta arbete, forskarna siktar nu på en mer effektiv och stabil Pdots-katalysator genom att rimligt anpassa polymerstrukturen för ljusdriven vätegenerering.