有機光催化劑的激子結合能高，激子擴散長度短，使得它們的電荷分離效率和電荷轉移效率較低，從而限制了它們將太陽能轉化為綠色能源的潛力。
受自然界光合作用系統(tǒng)II中發(fā)生的高效對稱破缺電荷分離現(xiàn)象啟發(fā)，中國科學院理化技術研究所王健君團隊、化學研究所許子豪團隊與清華大學王朝暉團隊合作，開發(fā)了具有高效的分子內(nèi)電荷轉移效率的苝酰亞胺（PDI）二聚體，并利用基于溶劑晶體重結晶的冷凍組裝策略，將有機分子組裝為直徑小于5nm的超小有機納米單晶，在晶粒內(nèi)實現(xiàn)了高效的電荷分離和電荷轉移效率，提升了光催化產(chǎn)氫速率。
該研究設計了兩種具有共軛橋接結構的PDI二聚體，并利用冷凍組裝策略，將PDI二聚體和PDI單體組裝成超小的單晶納米顆粒。在極性溶劑四氫呋喃中，分子狀態(tài)的p-BDNP的電荷分離速率是m-BDNP的32.6倍，這是由于p-BDNP具有更加離域的電荷分離態(tài)。進一步，研究通過全局擬合飛秒瞬態(tài)吸收光譜，發(fā)現(xiàn)超小p-BDNP納米晶體的電荷分離效率分別是m-BDNP和PDI單體的2.3倍和12.3倍。這表明，超小晶體可以保留并增強分子原有的對稱破缺電荷分離性質，并提升電荷分離速率，分別達到分子狀態(tài)下的20倍和254倍。但是，PDI單體和對應的超小晶體幾乎沒有電荷分離的能力。同時，由于p-BDNP分子間為平面層狀堆積方式，有助于提高電荷傳輸和轉移效率，實現(xiàn)了1824 μmol h-1 g-1的光催化產(chǎn)氫速率。
該研究強調了對稱破缺電荷分離和超小納米尺寸對光催化效率的作用，為發(fā)展高性能光催化劑提供了新思路。
相關研究成果發(fā)表在《美國化學會志》（JACS）上。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項等的支持。
論文鏈接
超小納米晶的形貌和穩(wěn)態(tài)光譜表征
本文鏈接：超小有機納米顆粒仿生光催化研究獲進展http://www.sq15.cn/show-12-1074-0.html
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