Novel Asymmetric Aggregation Strategy to Boost Charge Separation in Carbon Nitride Polymers for High-Performance Hydrogen Photosynthesis

氮化碳 聚合物 催化作用 氮化物 碳纤维 光合作用 化学 化学工程 纳米技术 材料科学 有机化学 复合数 生物化学 光催化 工程类 复合材料 图层(电子)
作者
Ruxue Yang,Hu Shi,Jianghong Zhao,Hongxia Zhang,Min Zhong,Pengju Yang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (12): 9607-9617 被引量:13
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c02387
摘要

Carbon nitride polymers (CNPs) have drawn broad interdisciplinary attention in the arena of solar energy conversion. However, serious charge carrier recombination caused by intrinsic electron–hole Coulomb interaction remains a fundamental and long-standing challenging scientific problem in the CNP photosystem. In this work, we synthesized small-sized CNP (denoted SS-CNP) and constructed an aggregated SS-CNP photosystem by noncovalent self-assembly. The structures, photophysical properties, and photocatalytic activity of SS-CNP aggregates have been carefully analyzed by various characterization methods. Results confirm that the weak noncovalent interactions endow the SS-CNP aggregates with the ability to undergo a continuous change in their structure and thus result in spontaneous symmetry breaking. The spontaneous symmetry breaking with uneven charge distribution of SS-CNP aggregates enables the establishment of a built-in electric field at the interfaces of aggregates, which accelerates charge separation and prolongs charge lifetime. Impressively, the SS-CNP aggregates realize a record-high apparent quantum yield of 76.4% at 420 nm, which is much higher than those of the existing CNP photosystems. The discovery and insights provided in this work are expected to provide some clues for manipulating charge separation and advancing the in-depth understanding of the role of asymmetric aggregation of photocatalysts during photoredox reactions.
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