聚合物单原子光催化剂的载流子分离和表面反应机制

近10年来, 研究者制备了大量的单原子催化剂(SACs), 其在光、 电、 热等催化体系中展现出优异的催化性能及较高的实用性和经济性. 光催化过程的独特性使其在催化本质上明显不同于热催化和电催化过程, 即处于激发态的电子和空穴参与反应, 而非基态的价电子. 本文首先探讨了有机聚合半导体与传统无机金属化合物半导体的区别, 指出聚合物半导体介电常数通常较小且光生电子与空穴的中心距离过短(计算上通常 ^{<1 nm), 导致其界面处几乎不存在明显的能带弯曲. 将金属离子引入聚合物半导体的骨架中可以有效引入给体-受体对, 在提高载流子分离效率的同时延长其寿命. 在高效聚合物基单原子光催化剂的设计过程中, 引入单原子金属位点后的激发态电荷分布及捕获态电子对反应的驱动力是决定催化剂整体性能的关键因素. 时间-空间双因子布局分析法和瞬态吸收光谱可为研究者提供相关信息. 随着人工智能的进一步发展, 建立回归精度接近或达到密度泛函理论水准的能量函数, 从而反推激发态下体系的能量变化, 有望为光催化反应的激发特性与反应活性建立可靠的联系. 此外, 配体和溶剂化效应在今后的研究中也应被仔细考虑.}