解码光电化学系统：分子设计与能量转换与储存中的电荷动态

《Accounts of Chemical Research》：Decoding Photoelectrochemical Systems: Molecular Design and Charge Dynamics in Energy Conversion and Storage

光电化学系统是人工光合作用的关键技术，其材料需兼顾光捕获、电荷分离与催化活性。有机分子材料通过D-A框架设计可调控电子特性，但存在电荷传输效率低、光响应范围窄等问题。本文提出基于分子工程的多功能材料设计策略，整合热力学与动力学调控机制，重点突破CO2光还原、N2还原及有机储能器件的效率瓶颈，为太阳能转化存储系统提供新思路。

　　

概述

光电化学（PEC）系统是太阳能向电化学能量转换和储存领域最具前景的技术之一，其在应对全球能源需求和环境可持续性方面具有独特优势。要模拟自然光合作用的关键功能（包括光捕获、催化水氧化、二氧化碳还原和能量储存），需要具备高效光子捕获能力、快速电荷传输以及强大催化活性的材料。然而，传统光电化学材料存在对太阳光谱利用不充分和电荷复合速度过快的问题，这导致氧化还原电位窗口变窄，整体转换效率降低。在这种情况下，有机分子PEC材料凭借其可调且结构明确的特性，能够精确控制其电子性质、氧化还原行为和宽光谱光吸收能力，从而展现出显著优势。通过将电子供体-受体（D-A）结构与氧化还原活性或催化单元整合到多孔材料中，可以构建出用于电荷分离和催化转化的空间有序路径，尽管这种分子层面的设计仍处于早期阶段。核心挑战在于将这些结构-功能关系转化为设计原则，以开发出能够实现可控电荷调节、长距离电子传输和自适应催化的多功能材料，从而推动人工光合作用的实现。

在本文中，我们首先通过分子材料的设计原则来解析PEC系统，重点探讨分子层面的改性如何影响关键性能指标。本文介绍了基于分子工程开发用于人工光合作用的分子材料的主要概念，重点关注通过调节官能团和引入单一或双金属来构建高效D-A结构的方法，同时电荷动态受热力学和动力学过程的调控。文章强调了分子工程领域的进展与挑战，指出设计高效D-A结构需要合理选择分子官能团、定制结构并优化材料性能，这对于调控长时间稳定的电荷分离状态以及推动PEC系统中的多种氧化还原反应至关重要。我们总结了设计和组装耦合D-A结构的最佳实践，展示了我们的研究成果以及过去十年在太阳能向电化学能量转换和储存领域取得的进展。讨论进一步探讨了耦合/解耦策略，这些策略为解决与太阳能驱动的二氧化碳分解（生成一氧化碳和氧气）、氮气还原（生成氨气）以及有机分子级储能装置（太阳能电池）相关的挑战提供了方案，并延伸到了可持续发展的视角。总体而言，我们期望本文能为将多功能性整合到PEC分子材料中提供有价值的指导，从而提升太阳能向电化学能量转换和储存的效率。