能源材料
近期，国际期刊《 Carbon Energy 》在线发表了题为 “Efficient Crystallization of Conjugated Microporous Polymers to Boost Photocatalytic CO2Reduction” 的研究性论文。通过给体π骨架工程增强骨架共面性，成功制备了高结晶性CMPs。先进的飞秒瞬态吸收光谱与变温光致发光分析表明，该材料可实现激子的高效解离，生成参与表面反应的自由电荷载流子。Py-TDO展现出优异的光催化CO2还原性能，在不添加任何牺牲剂的条件下，其CO生成速率高达223.97 μmol g-1 h-1。 Carbon Energy 是材料科学类的中科院一区期刊，最新影响因子为 24.2 。
第一作者： 李科明
通讯作者：熊贤强 李战峰等
通讯单位：台州学院 太原理工大学
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利用共轭微孔聚合物（CMPs）进行光催化二氧化碳还原（CO2RR），通过太阳能和水源生产碳基燃料，正受到广泛关注。然而，大多数CMPs固有的非晶态特性阻碍了其光生载流子的有效分离，限制了其在CO2RR中的应用。本研究提出了一种创新策略，通过给体π骨架工程增强骨架共面性，成功制备了高结晶性CMPs。先进的飞秒瞬态吸收光谱与变温光致发光分析表明，该材料可实现激子的高效解离，生成参与表面反应的自由电荷载流子。互补的理论计算进一步证实，所开发的高结晶性CMP（Py-TDO）不仅显著提升了光生电荷的分离与传输效率，同时通过分子间π-π堆积作用引入了额外的电荷传输通道。Py-TDO展现出优异的光催化CO2还原性能，在不添加任何牺牲剂的条件下，其CO生成速率高达223.97 μmol g-1 h-1。此项工作为开发新型高结晶材料奠定了创新性基础，有力推动了太阳能驱动能源转化领域的发展。
光催化二氧化碳还原（CO2RR）利用太阳能和水将CO2转化为CO、CH4及碳氢化合物等高附加值产物，为缓解全球碳排放和开发可再生能源提供了双赢路径，已成为应对气候变化的关键研究方向。该技术的核心在于高效光催化材料的开发，其中无机材料与有机聚合物材料构成两大研究体系。共轭微孔聚合物CMPs凭借其大π共轭骨架、高比表面积及优异热稳定性等特性，在光捕获和CO2转化方面展现出显著潜力。然而，CMPs在实际应用中仍受限于缓慢的电荷迁移速率与低效的载流子分离能力，严重制约其光催化性能的提升。
近年来，研究者通过构建给体-受体（D-A）型聚合物、引入π桥单元形成D-π-A结构等策略优化电子亲和能，有效拓展了分子共轭长度，促进了电子离域化并抑制电荷复合。尽管如此，材料结晶度不足仍是制约CMPs性能的关键瓶颈。研究表明，高结晶度可显著提升光生电子动能、加速激子迁移，从而增强电荷分离与传输效率。然而，由于结构缺陷的存在，高结晶CMPs的合成与光催化CO₂RR应用研究仍鲜有报道。前期针对线型共轭聚合物 (LCPs)的研究发现，延长共轭链并增强骨架平面性可通过分子间π-π堆叠诱导半结晶态形成，进而提高载流子迁移率。鉴于CMPs具有比LCPs更发达的二维共轭结构，该研究推测：通过优化CMPs骨架的共轭性与平面性，可有效提升其结晶度，最终实现电荷分离与传输效率的协同增强。
基于此，本研究聚焦于D-π-A型CMPs中给体π骨架的理性设计，通过构建具有不同π共轭骨架的给体单元（苯环、螺二芴、芘），系统探究骨架平面性对材料结晶行为与光催化CO2RR性能的调控机制，为开发高效结晶CMP光催化剂提供理论依据与设计范式。
1. 这项工作为光催化CO2还原提供了一种新型的高结晶CMP。
2. 供体π-骨架工程有效地降低了CMPs中激子结合能。
3. 协同电荷转移通道显著提高了光激发载流子的分离和输运效率。
4. 在不需要光敏剂、牺牲剂和助催化剂的情况下实现有效的CO2RR。
F I G U R E 1Synthesis process and localized orbital locators isosurfaces of CMPs.
F I G U R E 2Structural characterization of CMPs. (A) FT-IR of CMPs. (B) 13C NMR spectra of Py-TDO. (C) Powder XRD patterns of CMPs. (D) XPS survey spectra of CMPs. (E) C1s XPS spectrum of Py-TDO. (F) RDG simulations of Py-TDO.
F I G U R E 3Morphological characteristics and band structure of CMPs. (A) SEM image of Py-TDO. (B) TEM image of Py-TDO. (C) HRTEM image of Py-TDO. (D) Solid UV–vis diffuse reflectance spectroscopy (Inset: The partial magnificationn from DRS). (E) Mott-Schottky plots collected at various frequencies of Py-TDO. (F) Band structure diagram for CMPs.
F I G U R E 4CO2reduction performance of CMPs. (A) Temporal changes in CO and CH4concentrations during photocatalytic CO2 reduction experiments. (B) Varied reaction settings for the yield rates of photocatalytic CO2 reduction products. (C) Mass spectrometry analysis of 13CO. (D) Durability assessments of Py-TDO under irradiation filtered by a long-pass cutoff filter (λ > 420 nm). (E) In situ DRIFTS analysis of Py-TDO throughout the CO2photoreduction process.
F I G U R E5Integrated PL emission intensity as a function of temperature. (A) Py-TDO, (B) Spiro-TDO, and (C) Py-TDO (Inset: temperature-dependent PL spectra). Surface potential of (D) Ph-TDO, (E) Spiro-TDO, and (F) Py-TDO. (G) Transient photocurrent responses of CMPs. (H) Nyquist EIS plots. (I) TRPL spectra of CMPs.
F I G U R E 6Femtosecond transient absorption spectra of CMPs. (A) Ph-TDO, (B) Spiro-TDO, and (C) Py-TDO. Pseudocolor fs-TA plots of CMPs. (D) Ph-TDO, (E) Spiro-TDO, and (F) Py-TDO. Normalized decay kinetic curves of CMPs probed at 650 nm. (G) Ph-TDO, (H) Spiro-TDO, and (I) Py-TDO.
F I G U R E 7The theoretical basis for enhanced charge transfer in highly crystalline Py-TDO. (A) The HOMO and LUMO orbital distributions of the building blocks from DFT simulation based on the optimized ground-state geometric structures.(B) Calculated electron ionization potential of the electron donor units. (C) Excited-state hole and electron distribution smoothing (0.002 a.u.;Blue represents hole distribution, while green signifies electron distribution). (D) D index and S index of CMPs. (E) Electron (yellow)-hole (blue) distributions of optimized structures with two-layer segments for Py-TDO. (F) Charge-transfer amounts between fragments of Py-TDO.
本研究通过一步钯催化Stille偶联聚合法，成功合成了新型D-π-A型共轭微孔聚合物，制备出具有优异结晶度和光催化性能的Py-TDO材料。在可见光照射下，Py-TDO展现出显著高的CO2至CO转化效率，其CO生成速率高达223.97 μmol g-1 h-1，性能显著优于Ph-TDO与Spiro-TDO。基于变温光致发光光谱、飞秒瞬态吸收光谱及密度泛函理论计算等先进分析手段的研究表明，对给体π骨架进行的策略性调控有效增强了分子间相互作用并促进了聚合物结晶。这种结构的优化对于实现高效的激子解离与电子-空穴分离至关重要，从而大幅提升了光催化活性。本工作不仅深化了对分子结构调控的理解，也为设计面向高效太阳能驱动CO2还原的新一代结晶材料提供了分子设计策略。
Efficient crystallization of conjugated microporous polymers to boost photocatalytic CO2reduction, Carbon Energy. 2025, e70025. https://doi.org/10.1002/cey2.70025
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撰稿：李科明
编辑：环境与能源功能材料
审核：熊贤强
熊贤强（通讯作者），博士，副教授，硕士生导师，被评为2025年度英国皇家化学学会Journal of Materials Chemistry A期刊新锐科学家（Emerging Investigator）。浙江省高校领军人才青年优秀人才，台州市高层次人才特殊支持计划青年人才，台州学院青年英才。主要从事半导体光电催化及光催化水分解产氢研究，已在Advanced Materials和Applied Catalysis B： Environment and Energy等期刊发表SCI论文50余篇，获授权国家发明专利24件，主持国家自然科学基金项目1项，浙江省自然科学基金项目1项，中国博士后面上项目2项，浙江省博士后择优资助项目1项，台州市科技局项目1项，横向多项。
李战峰（通讯作者），博士，教授，博士生导师。长期从事(1) 有机光电材料与器件(OLED、有机/钙钛矿电池); (2) 光/电催化技术(分解水制氢、CO2还原); (3) 太赫兹固态器件技术及应用。截至目前，已在Energ. Environ. Sci., Chem. Eng. J., J. Colloid Interf. Sci.和Sep. Purif. Technol.等国内外重要期刊上发表70余篇研究论文，合编行业规划教材1部。
田跃（通讯作者），博士，副教授，硕士生导师。长期从事光电功能材料基础理论研究。作为项目负责人主持并完成国家自然科学基金等科研项目10余项。截至目前，已在Proc. Natl. Acad. Sci. USA.、Energy Environ. Sci.、Nano Lett.、Nano Energy等期刊上发表SCI论文100余篇。
2024年8月15日，国际期刊《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表题为题为“Understanding the unique Ohmic-junction for enhancing the photocatalytic activity of CoS2/MgIn2S4towards hydrogen production”。实现碳中和的一个重要途径是采用可再生能源驱动的光催化产氢技术。在这一过程中，析氢反应（HER）作为光催化分解水制氢的核心环节，而开发高效的过渡金属硫化物纳米催化剂则面临诸多挑战。本工作通过一种简便的两步水热法，成功地将CoS2纳米颗粒与MgIn2S4纳米花结合起来。得益于MgIn2S4三维纳米花结构所具有的较大比表面积，它有效促进了CoS2纳米颗粒的均匀分散。在Xe灯照射下，该复合材料的光催化析氢性能是MgIn2S4纳米花的3.1倍，且其析氢活性还超过了对MgIn2S4体系进行贵金属改性后的性能。此外，CoS2和MgIn2S4之间形成的欧姆接触有助于利用内建电场（IEF）将光生电子从MgIn2S4转移到CoS2，进而加速了水分解过程。密度泛函理论计算显示，CoS2可以有效地降低反应势能，从而提高水分解速率。本研究不仅阐述了CoS2的催化机理，证实了它改善表面质子还原动力学的能力，还强调了过渡金属硫化物与半导体光催化剂之间的协同效应，展现了其优化光催化产氢性能的潜能。《Applied Catalysis B: Environment and Energy》期刊是Elsevier旗下重要期刊，该期刊2024年影响因子为20.2，聚焦环境科学领域，尤其侧重于环境、能源和催化研究，环境科学与生态学1区。该论文自2024年发表以来，现已被引用31次（WOS），2025年1月入选ESI高被引论文。
通讯作者：熊贤强 吕康乐
通讯单位：Taizhou university 等
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2025年1月27日，国际期刊《Applied Catalysis B: Environment and Energy》在线发表题为“Zinc mediated electronic structure of CoP toward photocatalytic H2 evolution”的研究论文。设计过渡金属磷化物作为助催化剂的电子结构，通过提高金属活性位点的电子密度，优化水和H*中间体的结合强度，加速表面反应动力学，对提高光催化产氢能力至关重要。在本研究中，我们利用静电自组装策略，在二维ZnIn2S4光催化剂上设计了一种二维（2D）掺杂Zn的CoP助催化剂，用于H2的演化。这种二维-二维异质结构形成了一个高效的肖特基结，促进了光生电子在助催化剂表面的迁移和积累。值得注意的是，锌掺杂诱导了Co在CoP内的电子再分配，赋予了富电子的特性，显著提高了其对水分子的亲和力，并以低表观活化能优化了H*中间体解吸，从而加速了反应动力学。这些改进导致了界面水分子的吸附和活化，导致Zn-CoP/ZnIn2S4复合材料中优异的光催化H2演化速率，在三乙醇胺溶液中达到24.9 mmol g-1 h-1，在纯水中达到1164.3 μmol g-1 h-1，在苯甲醇溶液中达到36.3 mmol g-1 h-1。本研究提出了一种开创性的方法，通过创新的掺杂策略来提高非贵金属助催化剂的光催化效率。《Applied Catalysis B: Environment and Energy》期刊是Elsevier旗下重要期刊，该期刊2024年影响因子为20.2，聚焦环境科学领域，尤其侧重于环境、能源和催化研究，环境科学与生态学1区。
通讯作者：熊贤强 翁波
通讯单位：Taizhou university 等
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2025年1月19日，国际期刊《Advanced Materials》在线发表了题为“Enhanced Photocatalytic Efficiency Through Oxygen Vacancy-Driven Molecular Epitaxial Growth of Metal–Organic Frameworks on BiVO4”的研究性论文。在半导体与助催化剂界面处实现高效电荷分离对于高性能光电极至关重要，因为这直接影响了太阳能水氧化过程中表面电荷的可用性。然而，要在这些界面间形成牢固的分子级连接以实现优良的界面质量，仍然面临重大挑战。本研究引入了一种创新的电化学蚀刻方法，在BiVO4表面产生高浓度的氧空位（Ov-BiVO4），从而促使其与MIL-101的富氧配体发生相互作用。这一过程降低了形成能，并促进了其在BiVO4上的外延生长。Ov-BiVO4/MIL-101复合材料展现出理想的半导体与助催化剂界面特性，在1.23 VRHE电位下实现了5.91 mA cm⁻²的高光电流密度，同时表现出卓越的稳定性。该高性能光阳极使得无偏压串联器件（Ov-BiVO4/MIL-101-Si太阳能电池系统）成为可能，成功实现了4.33%的光解水制氢效率。通过分子级外延生长的MOF减少了BiVO4的表面态浓度，并增强了内建电场，从而有利于光生空穴向MIL-101涂层的迁移。该过程激活了高效的铁催化活性位点，使其能够有效吸附水分子，降低水氧化的能垒并改善界面动力学。本研究证实了氧空位诱导的分子外延生长在多种金属有机框架（MOFs）中的广泛适用性，为通过缺陷工程优化界面和增强光催化活性提供了宝贵的见解。该论文台州学院硕士生辛煜磊为第一作者，台州学院熊贤强博士等为论文通讯作者。Advanced Materials是工程技术类的中科院一区期刊，最新影响因子为27.4。
第一作者 ： 辛煜磊
通讯作者：熊贤强等
通讯单位：Taizhou University 等
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2024年9月15日，国际期刊《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表题为“Synergistic interfacial engineering of a S-scheme ZnO/In2S3photocatalyst with S-O covalent bonds: A dual-functional advancement for tetracycline hydrochloride degradation and H2 evolution”的研究论文。高效的界面电荷转移和强大的界面相互作用是实现载体空间分离和开发先进的非均相光催化剂的关键。该文描述了用水热法合成一种具有S- O共价键的ZnO/In2S3的新型S-scheme异质结。优化后的异质结具有优异的光催化活性，H2生成速率为2488 μmol g-1 h-1，对盐酸四环素（TCH）在2 h内的降解效率为86%。这些值分别是In2S3单独的35倍和1.4倍。包括电子自旋共振、x射线光电子能谱、开尔文探针力显微镜和密度泛函理论计算在内的各种技术证实了S型异质结的存在。在In2S3和ZnO之间建立化学S-O键，促进了原子水平的界面通路，实现了界面电子的有效传输。《Applied Catalysis B: Environment and Energy》期刊是Elsevier旗下重要期刊，该期刊2024年影响因子为20.2，聚焦环境科学领域，尤其侧重于环境、能源和催化研究，环境科学与生态学1区。该论文自2024年发表以来，现已被引用42次（WOS），2025年1月入选ESI高被引论文。
通讯作者：熊贤强 吕康乐
通讯单位：Taizhou university 等
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2024年12月9日，国际期刊《Journal of Colloid and Interface Science》期刊在线发表了题为“Fluorination-mediated polarization engineering in block copolymers for enhanced photocatalytic hydrogen evolution”的研究性论文。多孔聚合物已成为光催化析氢领域的热门材料，但其结构的刚性和交联特性带来了重大挑战，往往导致电荷复合问题和水/聚合物界面不足。本研究介绍了一种新型嵌段共聚物，该共聚物由刚性的芘核、不同氟化苯结构以及柔性的二乙醚基亲水单元组成。通过计算预测单体结构和偶极矩，研究了这些嵌段共聚物的结构与功能之间的关系，特别关注局部电荷离域效应。合成了四种氟化嵌段共聚物（F-BCPs），它们具有相同的π共轭骨架，但苯环上氟原子的数量和位置不同。实验和理论分析表明，微调苯环上的氟数量和位置能够引发局部电荷极化和离域。值得注意的是，苯环上两个邻位氟化的Py-DE-2F在可见光（λ > 420 nm）下展现出77.68 μmol h−1的析氢速率，并且无需任何共催化剂，这一速率比其他F-BCPs高出一个数量级。这些结果强调了利用氟化介导的极化工程在开发先进无金属聚合物光催化剂中的潜力。Journal of Colloid and Interface Science是工程技术类的中科院一区期刊，最新影响因子为9.4。
第一作者：刘冬
通讯作者：熊贤强 李战峰 田跃 张雍家
通讯单位：Taizhou University 等
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2025年2月19日，国际期刊《Separation and Purification Technology》期刊在线发表了题为“Breaking Type-I heterojunction limitations: harnessing an Ohmic-like/S-scheme cascade charge transfer mechanism for enhanced photocatalytic H2 evolution”研究性论文。传统的I型光催化剂因电荷分离效率低下和光激发电子-空穴对的氧化还原电位降低，通常具有较低的光催化效率。本研究中，我们设计了一种新型的三元ZnIn2S4@Bi2S3@CuCo2S4异质结构，尽管其ZnIn2S4@Bi2S3界面具有I型能带排列，但在三元体系中，光催化性能却显著提升。这一改进主要得益于费米能级的调整，引起了能带弯曲，促进了ZnIn2S4@Bi2S3与Bi2S3@CuCo2S4界面间的电荷转移。这种新颖的类欧姆/S型异质结电荷转移机制，有效分离了光生电荷载流子，并维持了其较高的电子还原电位，从而克服了I型异质结的固有限制。得益于这种协同效应，ZnIn2S4@Bi2S3@CuCo2S4的光催化产氢效率达到了8.1 mmol g -1 h−1，比纯ZnIn2S4高出9.3倍。本研究展示了利用I型复合材料提升光催化活性的巨大潜力，并为其他光催化材料的创新开发提供了新的方向。《Separation and Purification Technology》是工程技术类的中科院一区期刊，2024年6月公布的最新影响因子为8.1。该论文自2024年发表以来，现已被引用2次（WOS）。
第一作者：李江山
通讯作者：熊贤强
通讯单位：
Taizhou University
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