清华朱永法团队港大汤初阳团队：光生外部电场OEF驱动有机光催化剂电泳促进固-固催化

  固-固催化反响中的快速传质对全体反响的动力学具有极端严重意义。但是，因为催化剂和底物颗粒之间的相互效果规模有限，导致了其在固体-固体反响中的涣散功率受到约束。

  为了战胜这一妨碍，本文提出了一种运用半导体光生外电场（OEF）驱动有机纳米晶体电泳的办法。以苝-3,4,9,10-四甲酸二酐（PTCDA）分子纳米晶体为例，展现了该办法在进步水中微塑料污染物降解与矿化活性方面的优势。通过试验和理论核算，证明在PTCDA纳米晶体外表发生了从富集电子晶面指向富集空穴晶面方向的光生外部电场（OEF），通过合理调控，该OEF可以有明显效果地地引导PTCDA纳米晶体朝着微塑料外表电泳。本文提醒了有机纳米晶体各向异性的电荷富集特征及其诱导的电泳行为，而为完成有用的固-固光催化供给了新思路。

  固-固催化触及固体催化剂和固体反响物在界面处的反响，其间磕碰概率和界面触摸明显影响反响功率和选择性。固-固催化的比如包含塑料收回/降解、灭菌和贵金属收回。在触及固体颗粒催化的涣散反响中，传质约束，特别是关于相当大或高粘度的反响物分子，导致反响物和催化剂之间的触摸不充分。颗粒催化剂可以终究靠磁场或化学办法直接效果于固体衬底外表，这是由短程电泳力(一般 10 μm)或范德华力(一般 1 nm)决议的固-固相互效果间隔。但是，因为相互效果规模有限，这些战略对固-固磕碰时机的明显改进依然不行。此外，纳米粒子的光驱动运动大多散布在高能紫外光照耀（大多数研讨会集在TiO2）和杂乱规划的约束。在晶体光催化剂中，内部电场构成各向异性载流子富集，而影响催化剂纳米晶体在溶液中搬迁的外部电场（OEF）仍未被探究。

  受上述启示，咱们希望合理规划光生OEF，旨在为光催化剂纳米粒子向固体基质发生长程电泳力，来提高反响中固固磕碰的概率。因为有机半导体的慢弛豫电荷行为和分子摆放决议的各向异性电荷传输，有机分子晶体为研讨光生OEF供给了抱负的渠道。

  本研讨选用典型的苝-3,4,9,10-四甲酸二酐（PTCDA）分子晶体作为研讨模型，并将多标准模仿与晶体操作相结合，以提醒光生OEF的生成和效果机制。运用超快光谱和榜首原理核算，证明外表电荷调理增强了从PTCDA分子纳米颗粒到微塑料基材的OEF。时空分辩原位荧光和拉曼显微镜调查到这种OEF促进PTCDA分子纳米粒子长间隔电泳到微塑料，导致随后的氧化物质降解微塑料。咱们的研讨成果阐明晰晶体外表电荷诱导光生OEF的原理以及对纳米粒子运动的影响，为分子纳米晶体光催化剂的规划和固-固反响的运用供给了新的见地。

  通过具体的表征证明晰PTCDA分子堆积的本征特性导致电子和空穴别离在PTCDA分子晶体的 (0 1 1) 和(1 1 -2)面上堆集的倾向。PTCDA纳米粒子的外表表现出各向异性的电子和空穴富集特性。

  PMS有用地捕获PTCDA发生的光生电子，消除空穴的激子玻尔半径内的库仑约束，并随后在 PTCDA纳米晶体外表开释空穴。

  对电子受体PMS和PTCDA纳米粒子之间电荷搬运的全面研讨需求验证PTCDA-PMS相互效果，特别是通过理论核算确认吸附在(0 1 1)面上的PMS的部分态密度(PDOS)。并运用飞秒瞬态吸收光谱（fs-TAS）研讨了PMS和纳米晶体之间的光生电子搬运动力学，标明PMS有用捕获了电子。

  微塑料因为其尺度小且难以生物降解而被归类为重要的新式微污染物。以PC微塑料为模型，研讨了PTCDA纳米晶的电泳现象。线扫描共焦显微镜(LSCRM)通过精密的时空细节勘探了光照下PTCDA纳米晶体在微塑料周围的动态搬迁行为。70秒内调查到集合在塑料外表的 PTCDA纳米颗粒明显添加。在同一集合层，观测到PTCDA纳米晶体在同一集合层上的搬迁轨道。在照耀下，纳米粒子敏捷搬迁到PC微塑料外表，并在300秒内很多集合。轨道线，均匀电泳搬迁率约为 0.625μm s−1。这些调查依据成果得出，通过外表电荷调理增强的OEF驱动PTCDA纳米晶体长程电泳，添加了固体光催化剂和固体反响基质之间的磕碰概率和反响性。

  运用PTCDA纳米晶光催化剂降解粒径约为0.5μm的PC微塑料的分化进程来查验电泳在固-固催化中的运用。如图5a所示，PMS/PTCDA光催化在3小时和24小时别离完成了49.2%和92.3%的固体PC去除率。PC在前3小时内的降解性能为196.8 mg PC h-1。这种长间隔电泳行为的广泛适用性已在实践河水中的微塑料（包含聚氯乙烯PVC、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET和PC）中得到证明。河水的TOC（15.4 mg L-1）降低了83.0%，凸显了PMS/PTCDA 体系明显的氧化才能。

  这项研讨提醒了光催化纳米晶体上由不同的电子和空穴散布树立的光生OEF能有用完成纳米晶体的电泳。关于PTCDA光催化剂，外表电荷调制会损坏环形闭合的OEF、树立高达13.6 kV m -1（25μm处）的OEF，然后驱动纳米晶体长程电泳搬迁至微塑料周围，提高固-固光催化反响的催化功率。这些发现创始了对光催化剂晶体上光生外置电场的了解及运用。

  榜首作者 郭燕：香港大学博士后，于2022年7月从哈尔滨工业大学取得博士学位。她的研讨要点是环境和动力光催化。相关研讨成果宣布以榜首作者/通讯作者宣布在Nat. Catal.，Nat. Commun. （2篇），Mater. Today， Appl. Catal. B: Environ.（2篇），Carbon Energy等期刊上9篇论文（这中心还包含3篇ESI高被引论文）。曾取得2023年香港研讨赞助局（RGC）博士后奖学金。

  （一起）通讯作者 汤初阳：香港大学环境工程学教授，领导着根据膜的环境与可继续技能（MemBEST）小组。他从南洋理工大学取得了工程学士（一等荣誉）和工程硕士学位，并从斯坦福大学取得博士学位。研讨范畴包含膜和过滤技能、环境资料、海水淡化、水再运用、资源收回以及水能联系。他宣布了 300 多篇通过同行评定的出书物，总引证次数超越 35,000 次，H 指数为 103（Google Scholar）。自 2021 年以来，他一向被 Clarivate 评为高被引研讨员。他在膜污染、膜表征以及新式膜资料和工艺方面的研讨具有极高的影响力。汤教授关于水通道蛋白基质生物模仿膜的创造成功完成了 Aquaporin Inside Membranes (AIMs®) 的商业化，被广泛认为是近年来海水淡化范畴具有严重影响力的创造。汤教授是Desalination的联合修改。他是英国皇家化学会会士和土木工程师学会会士。曾取得首届研讨赞助局高档研讨员奖学金、首届香港大学立异者奖、香港大学出色研讨员奖、CAPEES/Nanova 前沿研讨奖、世界海水淡化协会水再运用与维护出色专业奖、新加坡国家发展部研制勋绩奖、芬兰出色教授方案奖学金以及世界海水淡化协会奖学金。

  （一起）通讯作者 周启昕：清华大学化学系直博研讨生，于2020年9月进入清华大学朱永法教授课题组从事环境与动力光催化范畴研讨，首要展开有机半导体光催化资料的光物理/外表催化机制和扩展运用研讨。以榜首/通讯作者在Nat. Catal.、Mater. Today、Nat. Commun.、Appl. Catal. B: Environ.等期刊累计宣布7篇学术论文。

  （一起）通讯作者 朱永法：清华大学化学系教授、博士生导师，国家电子能谱中心副主任。别离从南京大学、北京大学和清华大学取得学士、硕士和博士学位以及在日本爱媛大学从事博士后研讨工作。朱永法教授曾获教育部跨世纪优秀人才及国家天然科学基金委杰青年基金的赞助，且取得国家天然科学奖二等奖1项，教育部天然科学奖一等奖2项、二等奖1项，教育部科技进步奖二等奖和三等奖各1次；出书作品5部并获专利24项；在Nat. Catal.、Nat. Energy、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊宣布SCI论文509篇，其间高被引论文50篇；论文总引47200余次，H因子为122。自2014年至今获Elsevier高被引学者，2018年至今获科睿唯安“高被引科学家”。朱永法教授现担任Science for Energy and Environment (SEE) 创刊主编，Applied Catalysis B 副主编，Green Carbon副主编，我国感光学会副理事长兼光催化专业委员会主任，我国化学会环境化学专业委员会委员，教育部资源化学要点试验室学术委员会副主任等学术兼职。