中大新聞網(wǎng)訊（通訊員明媚）近一百年來(lái)，化石燃料的過(guò)渡開(kāi)采和消耗導(dǎo)致全球二氧化碳含量快速升高，如何有效發(fā)展清潔能源緩解可能存在的環(huán)境問(wèn)題，早日實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，是目前科研工作者面臨的艱巨任務(wù)之一。基于對(duì)自然界中光合作用系統(tǒng)的認(rèn)知，科研工作者構(gòu)建了人工光合系統(tǒng)，通過(guò)人工光合系統(tǒng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為清潔能源是獲取可再生能源的一種有效策略。在到達(dá)地球表面的太陽(yáng)光譜中，280–600 nm的光子不到20%，因此，開(kāi)發(fā)使用長(zhǎng)波長(zhǎng)的陽(yáng)光對(duì)提高太陽(yáng)能的利用率具有重要的研究意義。
在光合作用中，紅光驅(qū)動(dòng)光催化質(zhì)子還原是能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵步驟。然而，目前長(zhǎng)波長(zhǎng)產(chǎn)氫體系的研究主要集中在貴金屬，且催化效率仍舊沒(méi)有突破性的進(jìn)展。當(dāng)前主要任務(wù)在于：1. 開(kāi)發(fā)長(zhǎng)波長(zhǎng)具有優(yōu)異吸收、光生電子和電子轉(zhuǎn)移效率高的光敏劑；2. 具有高效廉價(jià)的的非貴金屬催化劑；3. 體系能與其它氧化體系更好的結(jié)合。蒽醌類(lèi)光敏劑是最古老的染料之一，自然界含量豐富、氧化還原性能穩(wěn)定、波長(zhǎng)調(diào)控性強(qiáng)、制備簡(jiǎn)單，是本課題組近年來(lái)的一個(gè)研究重點(diǎn)。
圖1 光催化產(chǎn)氫體系
近日，中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院韓治際教授課題組報(bào)道了一種蒽醌有機(jī)染料用于紅光下催化產(chǎn)氫體系（圖1）。在該體系利用低成本的蒽醌染料作為光敏劑，非貴金屬鈷配合物為催化劑，在紅光條件下，穩(wěn)定性高達(dá)168小時(shí)（主要受限于溶液中的電子供體完全消耗），其催化轉(zhuǎn)化次數(shù)可達(dá)78萬(wàn)，轉(zhuǎn)化頻率超過(guò)7000次每小時(shí)，量子效率超過(guò)30%，是目前已報(bào)道最好的紅光人工光合產(chǎn)氫體系（圖2）。通過(guò)機(jī)理研究表明，光敏劑（DAHA）獨(dú)特的激發(fā)態(tài)、穩(wěn)定的氧化還原性質(zhì)及超快的光生電子和電子轉(zhuǎn)移速率是體系獲得高效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。產(chǎn)氫的原理是：染料吸收太陽(yáng)能后，其三重激發(fā)態(tài)被還原和質(zhì)子化，形成的物種有效地還原鈷催化劑，逐步形成CoI、CoIII-H、CoII-H 等中間體，最后與質(zhì)子反應(yīng)產(chǎn)生氫氣（圖3）。該項(xiàng)工作為開(kāi)發(fā)利用全太陽(yáng)光譜進(jìn)行各類(lèi)光催化反應(yīng)提供了一條新思路。
圖2 蒽醌染料在紅光下催化產(chǎn)氫的數(shù)據(jù)
圖3 光催化產(chǎn)氫的催化機(jī)理
相關(guān)成果以 “Efficient Red-Light-Driven Hydrogen Evolution with an Anthraquinone Organic Dye” 為題發(fā)表于Journal of the American Chemical Society。韓治際教授為通訊作者，化學(xué)學(xué)院2019級(jí)博士生明媚為第一作者。
