俞书宏院士团队成功研制一种新型催化剂

近日，中国科学技术大学俞书宏院士研究团队与合肥工业大学化学与化工学院从怀萍教授课题组与合作，设计并研发了具有双重限域网络结构、可近红外光连续再生的高性能水凝胶光催化软材料。相关研究成果以“Double Confinement Hydrogel Network Enables Continuously Regenerative Solar-to-Hydrogen Conversion”为题发表在《德国应用化学》上，该工作被该刊选为VIP论文。

从大自然中汲取灵感，发展智能水凝胶软物质光催化体系能够赋予催化体系新的概念，创造具有连续再生能力的超分子催化剂体系。鉴于超分子化学在调控纳米组装结构和表面性质方面的显著优势，其在活性物质的协同作用下在可再生能源领域表现出强大的应用潜力。然而，基于超分子策略研制的新型仿生催化体系仍然非常有限，而如何将孤立的功能元件和结构参数完美地集成于同一个超分子催化体系成为该领域的一个重要挑战。

为实现上述目标，研究团队协同纳米复合交联、金属配位作用和原位聚合技术，合成了富含纳米腔结构、具有优异力学和高效自愈合性能的铂纳米颗粒/聚（N-异丙基丙烯酰胺）水凝胶体系。纳米腔的限域效应带来了高质子迁移速率和低水分子蒸发焓，具有微孔结构的非溶胀密胺海绵的引入，构建了第二重限域网络结构，抑制了凝胶在光催化过程中的溶胀，实现了其稳定的光催化产氢性能（3.27 mmol h-1g-1, TOF 4568 H2h-1）。通过在聚合物网络中原位生长导电高分子提高载流子迁移率，可进一步提高该催化体系的催化活性（5.60 mmol h-1g-1, TOF 7819 H2h-1）。

研究团队还协同动态界面相互作用，开发了一种新型近红外光诱导催化剂再生策略。利用铂纳米颗粒优异的光热性能，重构纳米腔形变结构的同时，含有巯基端的聚合物链作为动态刷子，能够有效清除金属催化剂表面的碳质沉积物，最终实现催化性能的连续再生，老化催化剂的析氢率从原始活性的26%持续提高到72%，解决了传统催化剂使用中高活性与长寿命难以兼顾的难题。该研究工作中基于双限域工程策略研发的智能水凝胶催化体系有望用于可持续太阳能转化制氢。