Credit: Kosco等人由于有机半导体的优越性能，它们可能成为生产太阳能燃料的非常有前途的光催化剂。事实上，这些材料可以通过合成来吸收可见光，同时保持驱动各种过程所需的能量水平。虽然基于有机半导体的光催化剂已经取得了有希望的结果，但是对支撑其功能的物理学的理解仍然相对有限。阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)、伦敦帝国理工学院和牛津大学的研究人员一直在试图开发基于有机半导体的光催化剂，这种光催化剂可以有效地利用太阳能，从而可以更可持续地生产氢气。他们最近发表在《自然能源》上的论文显示，异质结有机半导体纳米粒子可以产生非常持久的反应电荷，因此它们可以有效地驱动牺牲氢的析出。
“我们选择使用有机半导体来制造我们的光催化剂，因为它们的带隙可以综合调节，以在可见光谱中强烈吸收，”进行这项研究的研究人员之一Jan Kosco告诉TechXplore。“在其他条件相同的情况下，光催化剂吸收的光越多，将太阳能转化为氢气的效率就越高。”
大多数由无机半导体如TiO2和SrTiO3制成的稳定光催化剂几乎只吸收紫外线波长，在可见光下几乎没有活性。这可能是个问题，因为只有不到5%的太阳能是通过紫外线波长传输的。这从根本上限制了这些基于无机半导体的光催化剂的效率低于5%。
Kosco和他的同事开始探索有机半导体驱动氢演化的潜力，以及支撑它们进一步发挥功能的光物理。他们的研究建立在他们之前关于块状异质结有机半导体纳米粒子光催化剂的工作基础上。
Kosco解释说:“重要的是开发在宽范围的紫外-可见-红外波长下具有活性的光催化剂，以最大限度地吸收太阳光。”“当我们看到PM6:PCBM纳米颗粒显示出比PM6:Y6纳米颗粒更高的H2析出率时，我们最初感到惊讶。”
当他们第一次开始进行他们的实验时，Kosco和他的同事们预计会发现PM6:Y6纳米颗粒比PM6:PCBM纳米颗粒更活跃，因为Y6比PCBM吸收更多的太阳光谱。然而，当他们测量PM6:Y6和PM6:PCBM纳米颗粒的外部量子效率(EQEs)时，他们发现后者能够将它们吸收的太阳能的更大一部分转化为产生氢气的电荷。
“换句话说，我们发现PM6:PCBM纳米颗粒具有更高的EQEs，”Kosco说。“这使它们能够比PM6:Y6纳米粒子产生更多的氢气，尽管它们吸收的光较少。”
在他们测量了纳米粒子的EQEs后，Kosco和他的同事使用一系列超快光谱和操作光谱方法对它们进行了探测。他们的希望是揭示他们在PM6:PCBM纳米颗粒中观察到的更高eq的机制。
“我们使用这些技术来跟踪负责光子转化为催化活性电荷的光物理过程，时间跨度从皮秒到秒不等，”Kosco说。“这些方法揭示了PM6:PCBM纳米粒子更善于将吸收的光子转化为长寿命的催化活性电荷，我们相信这是它们高H2生产效率的关键原因。”
Kosco和他的同事还使用低温透射电子显微镜(Cryo-TEM)对纳米颗粒进行了成像。这是一种先进的电子显微镜技术，允许研究人员在低温条件下快速冷冻样品并捕捉图像，从而保留其天然结构。使用Cryo-TEM，该团队能够生成纳米粒子的图像，这些图像以纳米尺度的分辨率清晰地捕捉到了它们的内部形态，同时它们悬浮在玻璃化水中。
“我们预计电荷会在我们的纳米粒子中形成，因为它们内部存在II型异质结，”Kosco解释说。“然而，我们没有想到电荷会在纳米粒子中‘存活’这么长时间。光生电荷通常在微秒时间尺度上重组，但我们甚至在光激发后几秒钟就观察到了纳米粒子中的电荷。”
与有机半导体通常表现出的寿命相比，研究人员在实验中观察到的光生电荷的寿命非常长。这种非常长的寿命可能是支撑其高性能的主要因素，因为它延长了电荷在纳米粒子表面参与氧化还原反应的时间，而已知氧化还原反应相对较慢。
“我们希望这种新型的高活性有机半导体光催化剂将加速整个水分解Z方案的高效可见光活性析氢光催化剂的开发，”Kosco说。在水分解Z方案中，析氢光催化剂与析氧光催化剂偶联，这两种光催化剂一起驱动水分解为H2和O2。这类似于光系统1和光系统2如何在绿色植物的光合作用中将阳光转化为化学能。”
在未来，Kosco和他的同事们发现的有前途的光催化剂可以用来创造新的和性能更好的太阳能燃料技术。虽然研究人员迄今为止主要评估了他们驱动氢析出反应的潜力，但要应用于现实世界，这种反应应该与氧析出过程相结合，将水分解为H2和O2。
“我们现在正在继续开发光催化剂，用于H2演化、O2演化和CO2还原成合成燃料，”Kosco补充道。
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