研究核心突破 - 中国科学院金属研究所团队利用“晶格工程”策略，通过给光催化材料聚三嗪酰亚胺“补钙”，成功提高了其太阳能水制氢效率 [1] - “补钙”策略改变了材料的生长环境和基体，将制备熔盐从氯化锂/氯化钾混合物改为氯化锂/氯化钙混合物，最终制备出钙掺杂PTI六棱纳米盘 [2] 材料特性与原有挑战 - 聚三嗪酰亚胺是一种碳氮聚合物半导体，具有低成本、环境友好、能带结构合适等特性，被认为在低成本规模化全分解水制氢方面潜力巨大 [1] - 此前PTI的光催化分解纯水制氢效率较低，主要原因是光生电荷（电子和空穴）易结合形成“激子”并复合消失，无法参与反应，这是许多聚合物半导体材料的共同挑战 [1] 技术改进与性能提升 - “补钙”后，催化剂“激子”中光生电子和空穴的结合能从48.2毫电子伏大幅降低至15.4毫电子伏 [2] - 新的结合能低于室温下的热扰动能，使得激子在室温热扰动下即可自发解离，形成自由电荷 [2] - 得益于该功效，光催化剂分解纯水初始制氢活性提高了3.4倍 [2] 研究意义与应用前景 - 该研究为调控聚合物半导体光催化材料的光物理属性提供了可参考的有效策略 [2] - 该策略有助于推动聚合物半导体材料在不同光能转换场景中的应用 [2]

技术突破 - 中国科学院金属研究所科研人员通过“晶格工程”策略，为聚合物半导体材料聚三嗪酰亚胺（PTI）“补钙”，成功优化其生长过程，制备出钙掺杂PTI六棱纳米盘[3][4] - “补钙”过程将原有的氯化锂/氯化钾混合熔盐生长“配方”更换为氯化锂/氯化钙混合熔盐，使PTI在生长过程中引入钙元素[4] 性能提升 - “补钙”后新材料中电子与空穴之间的束缚力显著降低，其结合能从原来的48.2 meV大幅降至15.4 meV，该值已低于室温下的热扰动能，意味着激子可以自动解散形成自由移动的电荷[4] - 解离后的电子和空穴能够沿着不同路径移动，实现了制氢与制氧反应在空间上的分离，有效避免了互相干扰和副反应[4] - 得益于这一改进，新材料在光解纯水制氢中的初始活性比原来提高了3.4倍[4] 材料与行业前景 - PTI是一种以碳、氮为主要成分的聚合物半导体材料，具有成本低、环境友好、结构适合光催化等优点[3] - 该材料在实现低成本、规模化太阳能制氢方面具有广阔前景[3] - 此项研究为PTI材料的优化提供了新路径，也为其他聚合物半导体在光能转换领域的应用打开了新思路[4]

文章核心观点 - 中国科学院金属研究所通过“晶格工程”策略对聚合物半导体材料聚三嗪酰亚胺进行钙掺杂，成功降低了其内部光生电荷的束缚力，实现了电荷的有效分离与定向传输，从而将光解纯水制氢的初始活性提高了3.4倍，为低成本规模化太阳能制氢提供了新路径[1][4][5] 技术突破与原理 - 研究针对的PTI材料是一种以碳、氮为主要成分的聚合物半导体，具有成本低、环境友好、结构适合光催化等优点，但在光照下产生的电子和空穴极易结合形成“激子”并消失，导致实际制氢效率不高[4] - 科研人员采用“晶格工程”策略，将材料生长环境中的氯化锂/氯化钾混合熔盐更换为氯化锂/氯化钙混合熔盐，使PTI在生长过程中引入钙元素，最终制备出钙掺杂的PTI六棱纳米盘[4] - “补钙”后新材料中电子与空穴的结合能从原来的48.2 meV大幅降至15.4 meV，该值已低于室温下的热扰动能，使得激子可以自动解离形成自由移动的电荷[5] - 解离后的电子和空穴能够沿着不同路径移动，实现了制氢与制氧反应在空间上的分离，有效避免了互相干扰和副反应[5] 性能提升与影响 - 得益于电荷束缚力降低和空间分离的改进，新材料在光解纯水制氢中的初始活性比原来提高了3.4倍[5] - 这项研究不仅为PTI材料的优化提供了新路径，也为其他聚合物半导体在光能转换领域的应用打开了新思路[5]