可控合成苝二酰亚胺基纳米晶作为双功能光催化剂用于高效水分解

　　本研究针对有机半导体材料在光催化水分解中难以兼具产氢(PHE)和产氧(POE)双功能活性的难题，通过乙酸辅助调控钴-苝二酰亚胺(Co-PDI)金属有机框架的形貌，成功制备出厚度约7 nm的超薄纳米片。该催化剂在可见光(λ>420 nm)下实现71.2 mmol•g?1 •h?1 的PHE速率和18.2 mmol•g?1 •h?1 的POE速率，创下单组分双功能催化剂性能纪录，为晶面工程策略提供了新范式。

　　

在全球能源转型背景下，光催化水分解技术因其能将太阳能直接转化为氢能的独特优势备受关注。然而，该技术面临两大瓶颈：一是传统无机半导体（如TiO₂
、g-C₃
N₄
）带隙过宽，仅能利用不足5%的太阳光谱；二是产氧反应(POE)涉及四电子转移过程，动力学缓慢成为制约整体效率的关键。尽管苝二酰亚胺(PDI)类有机半导体因其π共轭结构和可调能级在POE方面表现突出，但受限于一维纳米结构导致的活性晶面暴露不足，始终未能实现产氢(PHE)/产氧(POE)双功能协同。

针对这一挑战，中国科学院福建物质结构研究所的研究团队创新性地通过形貌调控策略，将钴-苝二酰亚胺(Co-PDI)金属有机框架从纳米棒转变为超薄纳米片，成功开发出当前性能最优的双功能光催化剂。相关成果发表于《Journal of Colloid and Interface Science》，为解决光催化水分解的能效瓶颈提供了新思路。

研究采用乙酸辅助水热法调控Co-PDI形貌，通过X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)表征晶体结构，利用紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和电化学测试分析光电性能，最终通过气相色谱(GC)定量评估催化活性。

Morphology, structure and component characterization
通过将H₂
PDI与钴盐摩尔比从1:1提升至2:1，并引入乙酸作为封端剂，成功制备出厚度约7 nm的0.5Co-PDI纳米片。XRD显示其保持与1D纳米棒相同的晶体结构，但(002)晶面衍射峰显著增强，表明羧基终端晶面暴露度提高。

Optical and photoelectric properties
UV-Vis显示纳米片的吸收边红移至650 nm，带隙从2.12 eV缩小至1.91 eV。莫特-肖特基测试证实其导带(LUMO)位置为-0.82 V vs. NHE，满足质子还原电位要求；价带(HOMO)达1.09 V vs. NHE，超过水氧化电位需求。

Photocatalytic performance
在λ>420 nm可见光下，纳米片表现出71.2 mmol•g^?1
•h^?1
的PHE速率（抗坏血酸为牺牲剂）和18.2 mmol•g^?1
•h^?1
的POE速率（AgNO₃
为电子受体），较纳米棒样品提升3.2倍和2.3倍，且稳定性超过40小时。

该研究首次证实PDI基材料可通过晶面工程实现双功能催化，其突破性在于：① 通过暴露(002)晶面解决了一维材料活性位点不足的固有缺陷；② 保持POE优势的同时优化了PHE能级结构；③ 创下单组分催化剂性能新纪录。这项工作不仅为设计高效有机光催化剂提供了晶面调控新策略，更推动了水分解技术向实际应用迈出关键一步。