基于杂原子三角烯二维聚合物光解水催化剂的设计与模拟

Splitting water into hydrogen and oxygen via photocatalytic reaction is an effective strategy to convert solar energy to hydrogen. However, the commonly used photocatalysts suffer from problems of photo-generated charge carriers recombination and poor light harvesting abilities. In recent years, the vast investigations of two dimensional polymers that made of light elements provide new possibilities to design and develop effective photocatalysts for water splitting. In this project, first principles calculations will be performed to investigate systematically the photocatalyzing capabilities of 2D conjugated polymers that made of hetero triangulenes. Efforts will be devoted to investigating the inner relationship between the geometrics, electronic structures of these 2D polymers and their photocatalyzing activities. We will further explore effective strategies to tune their properties and optimize their photocatalyzing performances. By comprehensively studying the detailed thermodynamic and kinetic processes of water splitting reactions, we are aiming to develop 2D conjugated polymers based on hetero triangulenes to realize overall water splitting without adding cocatalysts or sacrificial agents.

通过光催化反应将水分解为氢气和氧气是实现将太阳能转换为化学能的有效手段。但目前常用的光解水催化剂大都存在着光生载流子易复合、光捕获能力差等问题。近年来，由轻元素组成的二维聚合物半导体材料的不断发展为高效光解水催化剂的设计与开发带来了新的希望。本项目拟通过第一性原理计算，系统考察基于杂原子三角烯的二维共轭聚合物的光催化分解水能力。重点研究这类材料的几何结构、电子结构与光催化活性之间的内在联系，探索调控催化活性的方法。通过对光解水反应的热力学和动力学过程进行细致的研究，探寻能够在不添加助催化剂和牺牲剂条件下实现全解水的二维杂原子三角烯聚合物。

光催化光解水反应作为实现太阳能向清洁能源氢能转化的有效手段，极大的依赖于半导体光催化剂的选择。由轻元素组成的二维聚合物半导体材料的不断发展为构筑非金属高效光催化剂提供了新的机遇。本项目通过第一性原理计算，以杂原子三角烯为构筑单元设计了一系列具有特殊晶格结构的二维共轭聚合物，系统考察基于杂原子三角烯的二维共轭聚合物的光催化分解水能力。计算表明这些二维杂原子三角烯聚合物不仅具有可观的带隙和很高的载流子迁移率，还可以根据中心原子和晶格结构的不同呈现出截然不同的电子学性质。研究发现honeycomb 晶格和kagome 晶格是导致材料表现出狄拉克锥电子学特征和平带特性的根本原因，而改变中心杂原子和桥位官能团可以有效地调控材料的光催化性能。通过将缺电子和富电子中心的二维聚合物组合成串联的异质结构，不仅可以有效地抑制电子和空穴的复合还可以使氢气和氧气分别在不同的表面析出，从而有效地实现全解水。本项目中的部分工作引发了后续实验研究的跟进，实现了计算化学对材料创新的有效驱动。相关研究为化学和材料学领域开辟了新的研究空间，也为非金属光催化剂的开发指明了新的方向。