实现高效的太阳能-化学能转化，如光催化水分接和CO2还原，在很大程度上依赖于能够广泛利用可见光的半导体。为此，广泛的研究集中在含金属的无机半导体以及有机-无机杂化材料。为了避免对金属的依赖，已经探索了无金属有机半导体，包括氮化碳和共价有机框架(COFs)。
然而，许多有机聚合物和COFs缺乏高效能，需要使用(贵金属)基助催化剂来改善光催化反应动力学。金属基助催化剂的一个主要局限性是光催化剂-助催化剂界面的能量损失，这是由晶格或能量错配引起的。这种错配阻碍了界面电荷分离。另一种方法是完全不使用助催化剂，这需要光催化剂本身结合有效的催化活性位点，但开发一种无需助催化剂就能实现高效水分解的光催化剂仍然是一个重大挑战。
近日，中国科学院大连化物所章福祥、河北工业大学王瑞虎和董贝贝等开发了一种非化学计量的n型Tp-Py-COF半导体光催化剂，其能够在无助催化剂和可见光照射下高效光催化水分解产氢。
实验结果表明，在可见光照射下和使用抗坏血酸作为光生空穴牺牲剂，Tp-Py-COF在纯水中的产氢速率高达22.45 mmol g-1 h-1，在天然海水中产氢速率为15.48 mmol g-1 h-1，优于许多报道的Pt改性COF光催化剂和含金属的无机光催化剂。此外，Tp-Py-COF在连续测试超过20小时过程中(四个循环)未显示出显著的性能降解，且稳定性测试后材料的结构也未发生明显变化，显示出优异的稳定性。
基于一系列系统的表征和理论计算，研究人员提出一种Tp-Py-COF上光催化氢生产的机制。在光照射下，光生电子从部分Tp单元的HOMO被激发到LUMO，在那里它们迅速转移并在羰基(C=O)的氧原子中积累；这些位点促进了质子高效还原为氢。同时，光生空穴被抗坏血酸捕获，确保电子和空穴同时消耗。这种电荷平衡使光催化剂能够持续产氢。
综上，Tp-Py-COF高效的光催化水分解性能归因于其结构优势，包括广泛的可见光吸收、嵌入的高活性质子还原位点以及无助催化剂，这共同增强了光吸收、表面催化和电荷分离等关键过程。
Covalent organic framework without cocatalyst loading for efficient photocatalytic sacrificial hydrogen production from water. Nature Communications, 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-58337-w
章福祥，太阳能制储氢材料与催化研究组组长。英国皇家化学会会士，百千万人才工程国家级人选，获得“具有突出贡献中青年专家”称号，享受国务院特殊津贴。1995-2004年于南开大学攻读学士学位和博士学位，随后留校任教，2007-2011年于巴黎第六大学和东京大学先后做博士后研究，2011年10月回国入所工作。主要从事太阳能光化学转化研究，包括光/电催化分解水制氢、二氧化碳还原和合成氨等方面，涉及光/电催化新材料智能开发与精准合成、原位表征与催化反应机理研究等内容。已在 Nat. Catal.、Nat. Commun.、Joule、JACS、Angew.和AM等期刊发表系列高水平学术论文。
王瑞虎，中国科学院百人计划、福建省引进高层次创业创新人才计划和中科院海西研究院卢嘉锡杰出人才。致力于多孔有机聚合物(Porous Organic Polymers，POPs)可控构筑及其在纳米催化和能量存储转化等方面的研究。在以下四个方面取得了系列原创性的研究成果：1.发展了POPs合成后修饰技术，建立了离子型POPs性能修饰改性和超细金属纳米粒可控合成的普适性方法，创新了金属纳米粒和配位化合物等活性组份的负载方法；2.创新了功能组份的模块化组装策略，建立了POPs结构、孔性质、金属纳米粒分布和催化性能分子层次上调控的关键共性技术；3.发展了催化效应促进多硫化物吸附和快速转化技术，从结构化学角度提出了增强锂硫电池体积容量和寿命的方法，创新了提升储能材料能量密度的共性技术。在Energy Environ. Sci.、AM、AEM、Angew.、AFM和ACS Nano等刊物上发表论文400多篇。
董贝贝，河北工业大学，副教授，博导。2013年7月获郑州大学学士学位，2019年7月获中国科学院大连化物所博士学位，师从李灿院士和章福祥研究员，2019年10月以元光学者启航A岗入职河北工业大学化工学院。研究围绕调控典型光催化剂结构和创制新型窄带隙光催化剂用于光催化分解水展开。以第一或通讯作者在Angew.、AM、AEM、Appl. Catal. B-Environ.、ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊发表论文近20篇。