將陽光直接轉化為燃料，光催化研究有重大突破

環球零碳

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撰文 | 小博

編輯 | 小瀾

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最近，科學家們發現了一種將太陽能轉化為燃料的強大新方法。

3月16日，據《科學日報》（ScienceDaily）報道，來自德國德累斯頓-羅森多夫亥姆霍茲（HZDR）先進系統研究中心的研究團隊，在光催化材料研究領域取得重要進展。

研究團隊提出了一種基于第一性原理與多體微擾理論（Many-Body Perturbation Theory, MBPT）的全新計算框架，用于系統預測光催化材料性能，為更快地發現能將陽光轉化為燃料和有價值化學品的材料打開了大門。

相關研究成果發表于國際頂級化學期刊 Journal of the American Chemical Society。論文由Zahra Hajiahmadi領銜，Thomas D. Kühne等參與完成。

在新能源與化學領域，如何將太陽能高效轉化為可儲存的化學能，一直是重要研究方向。光催化被認為是實現這一目標的關鍵路徑之一，但長期以來，材料開發進展緩慢，核心原因在于設計空間過于龐大。

該研究聚焦于一類被廣泛認為具有應用潛力的光催化材料—聚庚嗪酰亞胺（PHI），這是一種碳氮基聚合物，能夠吸收可見光并驅動多種關鍵化學反應，包括水分解制氫、二氧化碳還原以及過氧化氫合成。

對于PHI這類材料而言，其結構可以通過多種方式調控，例如引入不同金屬離子、改變分子結構、調整孔隙形態等。理論上，這種組合的可能性是指數級增長的，而傳統依賴實驗逐一篩選的方法難以應對如此復雜的設計空間。

針對這一問題，上述研究提出了一種新的解決思路：通過高精度計算方法，在理論層面提前篩選出最具潛力的材料組合，從而顯著減少實驗試錯成本。

研究團隊系統分析了53種不同金屬離子在PHI結構中的作用，重點考察它們在材料中的位置（層內或層間）以及對結構的影響（是否引發晶格畸變）。通過這一系統性研究，研究人員建立起一套“結構—電子性質—光催化性能”之間的關聯框架。

在此基礎上，研究團隊能夠預測不同摻雜方案對材料光吸收能力、電荷分離效率及反應活性的影響，并篩選出性能最優的候選體系。

在眾多材料中，聚庚嗪酰亞胺因其結構與功能特性，正日益受到關注，被認為特別適合用于光催化反應。

聚庚嗪酰亞胺屬于更廣義的碳氮材料。這類材料具有類似石墨烯的層狀結構，但由富含氮的環狀分子單元構成。

盡管石墨烯以卓越的導電性著稱，但其并不適合作為光催化劑。而聚庚嗪酰亞胺則在一個關鍵方面有所不同：其電子帶隙允許其吸收可見光，使其適用于太陽驅動的化學反應。

此外，碳氮材料還具有多項實際優勢，包括成本較低、無毒以及熱穩定性良好。然而，早期材料在光催化性能方面表現不佳，主要原因在于其內部性質限制了電荷的有效分離。

聚庚嗪酰亞胺的一個關鍵特征，是其材料內部存在帶負電的孔隙。這些孔隙可以容納帶正電的金屬離子，從而顯著提升催化性能。

為了驗證計算框架的可靠性，研究團隊合成了8種不同金屬離子摻雜的PHI材料，并對其光催化性能進行測試，重點評估其在過氧化氫合成反應中的表現。

實驗結果顯示，理論預測與實際測量結果高度一致，且優于傳統計算方法的預測精度。這一結果不僅驗證了模型的有效性，也表明該方法具備實際應用價值。

研究人員還發現，不同金屬離子的引入會改變材料的層間距與局部結構環境，從而影響其電子能帶結構及光吸收特性。這些微觀結構變化，直接決定了材料在光催化反應中的效率表現。

這項研究所涉及的光催化技術，是當前能源轉型中的關鍵方向之一。

與傳統光伏發電不同，光催化的目標并非直接產生電能，而是將太陽能轉化為化學能，即所謂“太陽燃料”。這類燃料包括氫氣、合成燃料以及基礎化學品，具有可儲存、可運輸的優勢。

在可再生能源占比不斷提高的背景下，如何將間歇性電力轉化為穩定能源載體，成為能源系統的重要問題。光催化提供了一種直接路徑：通過材料將太陽光轉化為分子燃料，從而實現能量的長期存儲與跨區域流動。

此次研究所優化的PHI材料，正是這一體系中的重要候選。

盡管該研究并未直接實現工業級效率突破，但其方法論意義受到廣泛關注。

長期以來，新材料開發主要依賴實驗驅動，周期長、成本高、成功率低。而隨著計算能力提升，理論設計逐漸成為重要補充。

該研究通過引入更高精度的物理模型，使計算結果具備更強預測能力，從而推動材料研發從經驗驅動向計算驅動轉變。

有研究人員指出，這種方法一旦在更大范圍內推廣，將有助于顯著縮短新材料開發周期，并提升研發效率。

參考資料：

[1]https://www.sciencedaily.com/releases/2026/03/260315225149.htm

[2]Zahra Hajiahmadi, Anna Lo Presti, S. Shahab Naghavi, Markus Antonietti, Christian Mark Pelicano, Thomas D. Kühne. Theory-Guided Discovery of Ion-Exchanged Poly(heptazine imide) Photocatalysts Using First-Principles Many-Body Perturbation Theory. Journal of the American Chemical Society, 2026; 148 (2): 2165 DOI: 10.1021/jacs.5c09930

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