开发新型高效的光催化材料用于可再生能源转换是解决当前能源和环境危机的理想途径之一。手性无机纳米材料因其独特的不对称结构、对偏振光的差异响应以及电子自旋调控能力，为高效光催化材料的设计提供了新的调控方向。然而，目前手性无机材料在光催化领域，尤其是在水分解制氢方面涉及较少，且手性效应在光催化过程中的影响机制尚存在实质性挑战。
近日，西安交通大学的王鹏鹏教授团队以具有手性和非手性形貌的纳米金为研究对象，将其与性质稳定的二维氮化碳复合，构建了研究形貌手性对光催化分解水制氢过程影响机制的理想平台。
通过原位表征和理论结算结合，作者对上述复合材料在光催化分解水过程中的三个基本过程——光激发、载流子迁移和表面反应进行了对比分析。结果表明， C3N4和手性Au的紧密接触界面以及手性结构诱导的电子自旋极化能够快速有效地分离载流子，同时手性结构扭曲表面的高活性暴露晶面促进了表面水分解制氢反应。这些结构手性优势实现了氮化碳基材料44.64%（400 nm）的表观量子效率。
此外，研究还发现，在不同旋向偏振光的照射下，手性金负载的氮化碳催化材料表现出手性旋向相关的光催化分解水制氢性能。通过分析不同偏振光源激发下不同手性复合材料光生载流子复合的程度，提出了结构手性对不同自旋电子选择性迁移的机制。进一步将其拓展至其他具有结构手性的纳米金材料，也表现出类似的光催化性能。
在该工作中，王鹏鹏教授团队探究并证明了结构手性无机纳米材料在光催化分解水制氢过程中的优势及其作用机制，为设计具有手性结构的高效光催化材料提供了新的思路。同时，该研究对探索手性材料在太阳能-燃料转换过程中特殊的构效关系具有指导作用，如用在水分解制氢，二氧化碳还原，氮气固定等，并展示了一种系统研究手性无机纳米材料光催化过程的通用范式。
论文信息
Exploring Geometric Chirality in Nanocrystals for Boosting Solar-to-Hydrogen Conversion
Wenlong Fu, Qi Gao, Chunyang Zhang, Lili Tan, Biao Jiang, Chengyu Xiao, Prof. Maochang Liu, Prof. Peng-peng Wang
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202411871
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