扫描此二维码分享

声光齐驱，效率倍增！分析测试中心助力我校刘军民/周业成团队研发新型COF材料，实现水分解催化性能突破

发布人：张博琳发布日期：2026-01-12

在“双碳”目标驱动下，发展绿色、高效的能源转换技术至关重要。利用太阳能和水生产清洁燃料（如氢气）和化学品（如过氧化氢）的光催化水分解技术，被认为是实现可持续能源循环的理想途径之一。然而，传统光催化材料普遍面临电荷复合严重、反应动力学缓慢、依赖牺牲剂等瓶颈，制约了其实际应用。

近日，中山大学材料科学与工程学院刘军民教授、周业成副教授团队，在压电光催化材料设计上取得重大突破。团队通过精密的分子工程，成功设计并合成了一系列具有强偶极矩的β-酮烯胺/亚胺连接的共价有机框架材料（BT-COFs）。其中，TP-BT-0F-COF材料在可见光与超声波协同作用下，实现了纯水分解产氢和产过氧化氢效率的双重飞跃，产率分别高达1501.4和1435.8 μmol g⁻¹ h⁻¹，性能位居同类材料前列，并展现出优异的循环稳定性。

这项研究的核心创新在于，通过对称性破缺的苯并噻二唑单元与面内极化的β-酮烯胺连接的巧妙结合，在COF骨架内构筑了强大的局域偶极矩。该设计不仅显著提升了材料的压电系数，还通过压电极化效应有效促进了光生载流子的分离与传输，从而实现了机械能与光能的协同高效转化（图1）。密度泛函理论计算进一步揭示了苯并噻二唑单元上的N⁸和C⁶位点分别是产氢和产过氧化氢的潜在活性中心，为理解反应机理提供了关键见解。

图1 压电光催化COF材料的（A）极化中心的引入和（B）偶极矩的优化设计策略与（C）合成路径

该重要研究成果以 “Enhanced piezo-photocatalytic water splitting activity via engineering robust dipole moments in covalent organic frameworks” 为题，在线发表于国际权威期刊《Nature Communications》（DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-67467-0）。中山大学材料科学与工程学院博士生梁子展为第一作者，刘军民教授、周业成副教授为共同通讯作者，中山大学为论文第一完成单位。该研究工作得到国家自然科学基金以及中山大学分析测试中心的大力支持。

由于COF材料的不稳定性，其透射表征工作面临较大挑战，研究团队依托分析分析测试中心的透射电子显微镜（FEI Tecnai G2 F30），完成了样品的晶格条纹的拍摄工作（图2）。为明确目标 COF 材料的力-电耦合响应特性，分析测试中心AFM机组对系列 COF 样品开展了压电性质的系统性表征，涵盖压电系数测定、力致电荷分离行为测试及压电响应性质评估等核心内容（图3）。这些精准、可靠的表征数据，为阐释材料独特的压电-光电协同催化机制、以及其卓越的水分解性能提供了坚实的实验基础，是本研究取得突破性成果的重要支撑。