芳香族有机污染物的连续排放对生态系统安全和人类健康造成严重威胁，因此人们付出巨大努力来对其进行降解。作为一个操作简单且有效的途径，太阳能光催化水处理技术有望解决这一问题。芳香族有机物的矿化通常需要涉及β键裂解的强氧化过程，因此高效生成具有强氧化能力的活性氧物种和空穴是关键。理想的光催化剂通常能够保证光收集、电荷分离以及催化位点电子/空穴的及时转移/积累。然而，目前大多数半导体材料不能同时满足宽光吸收和有效的电荷分离。因此，开发具有高效空间电荷分离/转移特性的光催化剂以实现高芳香族有机矿化显得尤为迫切和必要。
近日，清华大学朱永法和北京工业大学王艺霏等在理论筛选的指导下，通过原位聚合生长策略，通过改变碳氮含量来合成供体-受体(D-A)可控的脱乙酰甲壳素-苝二酰亚胺(DC-PDI)纳米反应器。结果表明，扩大的D-A结构导致DC-PDI具有较深的VB位置，有利于提高氧化能力和增加反应活性，同时具有良好的循环稳定性；同时，共价C-N键的含量与偶极矩和等电场成正相关，提供了一个增强的内置电场(1.1-4.7倍)，以加速电荷分离/转移，即界面C-N键起到了促进电荷转移和降低电荷转移能垒的流动通道的作用，从而实现了高效的空间电荷分离，显著提高光催化剂的活性。因此，在最佳的DC-PDI (2:1)纳米反应器上显示出最高的苯酚降解率，分别是DC-PDI (4:1)和DC-PDI (8:1)的2.57倍和2.77倍；同时，该催化剂在350、451、550、650和700 nm处的表观量子产率(AQY)分别为1.2%、1.7%、1.5%、0.8%和0.3%。此外，为了测试DC-PDI (2:1)的实际应用潜力，将其用于催化降解雨水和地下水中的苯酚。结果表明，在15分钟内雨水和地下水中的苯酚降解率分别达到100%和97%，矿化率高达85.1%-87.8%。更重要的是，DC-PDI (2:1)在苯酚污染溶液中能够连续催化降解600分钟，苯酚去除效率约为100%，显示出巨大的实际应用潜力。总的来说，该项工作阐明了D-A调制与电荷分离/输运的结构-机理-性能关系，为高效光催化氧化材料的分子结构设计提供了理论指导。Rapid hole generation via D–A structure-dependent built-in electric field of deacetylated Chitin-PDI for efficient photocatalytic oxidation Advanced Functional Materials 2024. DOI: 10.1002/adfm.202406533
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