2024年度江西省自然科学奖

聚合物半导体高效光催化制氢体系的研发及其机理研究

主要完成人及所在单位：刘诗咏（江西理工大学） 黄微雅（江西理工大学）程敬招（江西理工大学）刘礼林（江西理工大学）刘慧（江西理工大学）

该项目属于聚合物半导体材料及其新能源应用领域。针对聚合物光催化剂合成步骤繁琐及析氢速率低的现状与挑战，该项目发展了绿色高效的C–H键活化合成聚合物半导体，并创新性地通过共溶剂策略实现了制氢速率的大幅提升，创造了析氢速率高达303.7 mmol/h/g的新纪录，使溶剂化效应研究发展成为了光催化领域的新方向。

科学发现一：提升聚合物光催化析氢速率的新策略 — 非质子型极性共溶剂的加速效应。首次发现非质子型极性溶剂DMF 对聚合物光催化析氢反应的加速效应。通过共溶剂加速的策略，创下了聚合物半导体光催化HER高达303.7mmol h^-1 g^-1的新纪录。利用共溶剂加速的策略首次实现线性共轭聚合物（LCP）光催化剂的高效率析氢。

科学发现二：建立了溶剂剥离获取聚合物胶粒准均相光催化剂的普适性方法。发现非质子型极性溶剂的助催化效应，且筛选出最佳共溶剂为NMP。本发现点基于控制变量法，固定溶剂为NMP，通过改变聚合物类型（图3A），证实了NMP共溶剂的普适性。非质子型极性溶剂NMP除具有发现点1所阐述的溶剂化效应外，同时对不同种类的共轭聚合物光催化剂均具有一定的剥离效应，可形成稳定的胶体分散液，实现了传统光催化的非均相历程向准均相历程转化。

科学发现三：采用绿色高效的C–H键活化偶联合成聚合物析氢光催化剂，推动了绿色化学与绿色能源的有机结合。首次采用原子经济的C–H键代替C–M键，通过C–H/C–Br键交叉偶联实现聚合物半导体光催化剂的绿色高效合成，并进一步采用该策略合成了聚合物/TiO2异质结光催化剂以及低聚物光催化材料。