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中國科學院金屬所供圖

利用太陽能高效分解水制氫迎來新進展。記者從中國科學院金屬研究所獲悉，該所科研人員通過給一種名為聚三嗪酰亞胺（PTI）的聚合物半導體材料“補鈣”，成功優化了其生長過程，使其內部的光生電荷更容易分開，并且各行其道，大幅提升了光解水制氫效率。相關研究成果發表于《自然-通訊》雜志。

PTI是一種以碳、氮為主要成分的聚合物半導體材料，具有成本低、環境友好、結構適合光催化等優點，在實現低成本、規?；柲苤茪浞矫婢哂袕V闊前景。然而，它的實際效率一直不高，主要是因為其在光照下產生的正負電荷，也就是電子和空穴，很容易被“綁定”在一起形成“激子”，并最終重新“擁抱”在一起而消失，無法有效參與制氫和制氧反應。

“這就像在一個小房間里同時洗衣和晾衣，兩件事互相干擾，效果自然不佳。問題的根源在于PTI材料本身的結構缺乏內在驅動力，難以將這對被‘綁定’的電荷分開?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、中國科學院金屬研究所研究員劉崗解釋。

在這項研究中，科研人員提出了一種叫作“晶格工程”的策略，調整了PTI的生長“配方”，將原有的氯化鋰/氯化鉀混合熔鹽，更換為氯化鋰/氯化鈣混合熔鹽，使PTI在生長過程中引入鈣元素，最終制備出 一種鈣摻雜PTI六棱納米盤。這就是所謂的“補鈣”過程。

實驗結果顯示，“補鈣”后新材料中電子與空穴之間的束縛力顯著降低，其結合能從原來的48.2 meV（毫電子伏特）大幅降至15.4 meV?！斑@個值已低于室溫下的熱擾動能，意味著激子可以自動‘解散’，形成自由移動的電荷。我們利用超快光譜技術，直觀地捕捉到了這一快速解離過程?！眲徴f。

值得一提的是，解離后的電子和空穴能夠沿著不同路徑移動，如同行駛在規劃好的“單行道”上，實現了制氫與制氧反應在空間上的分離，有效避免了互相干擾和副反應。

“得益于這一改進，新材料在光解純水制氫中的初始活性比原來提高了3.4倍?！眲徴f，這項研究不僅為PTI材料的優化提供了新路徑，也為其他聚合物半導體在光能轉換領域的應用打開了新思路。