環(huán)球零碳

碳中和領(lǐng)域的《新青年》

撰文 | 小博

編輯 | 小瀾

→這是《環(huán)球零碳》的1924篇原創(chuàng)

最近，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種將太陽能轉(zhuǎn)化為燃料的強(qiáng)大新方法。

3月16日，據(jù)《科學(xué)日?qǐng)?bào)》（ScienceDaily）報(bào)道，來自德國德累斯頓-羅森多夫亥姆霍茲（HZDR）先進(jìn)系統(tǒng)研究中心的研究團(tuán)隊(duì)，在光催化材料研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。

研究團(tuán)隊(duì)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(jì)算框架，用于系統(tǒng)預(yù)測(cè)光催化材料性能，為更快地發(fā)現(xiàn)能將陽光轉(zhuǎn)化為燃料和有價(jià)值化學(xué)品的材料打開了大門。

相關(guān)研究成果發(fā)表于國際頂級(jí)化學(xué)期刊 Journal of the American Chemical Society。論文由Zahra Hajiahmadi領(lǐng)銜，Thomas D. Kühne等參與完成。

在新能源與化學(xué)領(lǐng)域，如何將太陽能高效轉(zhuǎn)化為可儲(chǔ)存的化學(xué)能，一直是重要研究方向。光催化被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵路徑之一，但長期以來，材料開發(fā)進(jìn)展緩慢，核心原因在于設(shè)計(jì)空間過于龐大。

該研究聚焦于一類被廣泛認(rèn)為具有應(yīng)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(qū)動(dòng)多種關(guān)鍵化學(xué)反應(yīng)，包括水分解制氫、二氧化碳還原以及過氧化氫合成。

對(duì)于PHI這類材料而言，其結(jié)構(gòu)可以通過多種方式調(diào)控，例如引入不同金屬離子、改變分子結(jié)構(gòu)、調(diào)整孔隙形態(tài)等。理論上，這種組合的可能性是指數(shù)級(jí)增長的，而傳統(tǒng)依賴實(shí)驗(yàn)逐一篩選的方法難以應(yīng)對(duì)如此復(fù)雜的設(shè)計(jì)空間。

針對(duì)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(jì)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(shí)驗(yàn)試錯(cuò)成本。

研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)分析了53種不同金屬離子在PHI結(jié)構(gòu)中的作用，重點(diǎn)考察它們?cè)诓牧现械奈恢茫▽觾?nèi)或?qū)娱g）以及對(duì)結(jié)構(gòu)的影響（是否引發(fā)晶格畸變）。通過這一系統(tǒng)性研究，研究人員建立起一套“結(jié)構(gòu)—電子性質(zhì)—光催化性能”之間的關(guān)聯(lián)框架。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)能夠預(yù)測(cè)不同摻雜方案對(duì)材料光吸收能力、電荷分離效率及反應(yīng)活性的影響，并篩選出性能最優(yōu)的候選體系。

在眾多材料中，聚庚嗪酰亞胺因其結(jié)構(gòu)與功能特性，正日益受到關(guān)注，被認(rèn)為特別適合用于光催化反應(yīng)。

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(jié)構(gòu)，但由富含氮的環(huán)狀分子單元構(gòu)成。

盡管石墨烯以卓越的導(dǎo)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(gè)關(guān)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(qū)動(dòng)的化學(xué)反應(yīng)。

此外，碳氮材料還具有多項(xiàng)實(shí)際優(yōu)勢(shì)，包括成本較低、無毒以及熱穩(wěn)定性良好。然而，早期材料在光催化性能方面表現(xiàn)不佳，主要原因在于其內(nèi)部性質(zhì)限制了電荷的有效分離。

聚庚嗪酰亞胺的一個(gè)關(guān)鍵特征，是其材料內(nèi)部存在帶負(fù)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(yàn)證計(jì)算框架的可靠性，研究團(tuán)隊(duì)合成了8種不同金屬離子摻雜的PHI材料，并對(duì)其光催化性能進(jìn)行測(cè)試，重點(diǎn)評(píng)估其在過氧化氫合成反應(yīng)中的表現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，理論預(yù)測(cè)與實(shí)際測(cè)量結(jié)果高度一致，且優(yōu)于傳統(tǒng)計(jì)算方法的預(yù)測(cè)精度。這一結(jié)果不僅驗(yàn)證了模型的有效性，也表明該方法具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，不同金屬離子的引入會(huì)改變材料的層間距與局部結(jié)構(gòu)環(huán)境，從而影響其電子能帶結(jié)構(gòu)及光吸收特性。這些微觀結(jié)構(gòu)變化，直接決定了材料在光催化反應(yīng)中的效率表現(xiàn)。

這項(xiàng)研究所涉及的光催化技術(shù)，是當(dāng)前能源轉(zhuǎn)型中的關(guān)鍵方向之一。

與傳統(tǒng)光伏發(fā)電不同，光催化的目標(biāo)并非直接產(chǎn)生電能，而是將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，即所謂“太陽燃料”。這類燃料包括氫氣、合成燃料以及基礎(chǔ)化學(xué)品，具有可儲(chǔ)存、可運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢(shì)。

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(zhuǎn)化為穩(wěn)定能源載體，成為能源系統(tǒng)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(zhuǎn)化為分子燃料，從而實(shí)現(xiàn)能量的長期存儲(chǔ)與跨區(qū)域流動(dòng)。

此次研究所優(yōu)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(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)效率突破，但其方法論意義受到廣泛關(guān)注。

長期以來，新材料開發(fā)主要依賴實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)，周期長、成本高、成功率低。而隨著計(jì)算能力提升，理論設(shè)計(jì)逐漸成為重要補(bǔ)充。

該研究通過引入更高精度的物理模型，使計(jì)算結(jié)果具備更強(qiáng)預(yù)測(cè)能力，從而推動(dòng)材料研發(fā)從經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)向計(jì)算驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變。

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