S-型异质结TpPa/C6N7双层结构：基于共轭微孔聚合物/共价有机框架的高效全解水光催化剂

（编辑推荐）本研究通过第一性原理计算和分子动力学模拟，提出了一种新型S-型（S-scheme）异质结光催化剂TpPa/C6N7，实现了无助催化剂条件下的高效全解水（OWS）。该体系通过空间分离的HER/OER活性位点和强驱动力（0.89?V/3.19?V），在宽pH范围（0-12.91）内动态平衡反应动力学，太阳能-氢能（STH）转化效率达14.04%，为有机聚合物光催化剂设计提供了新范式。

　　

亮点

本研究首次提出由β-酮胺COF（TpPa）和七嗪类似物（C₆N₇）构成的二维S-型异质结光催化剂。通过精准的能带工程设计，该体系实现了光生载流子的定向迁移——C₆N₇导带电子与TpPa价带空穴在2.96皮秒内快速复合，而剩余载流子分别富集于TpPa导带（驱动HER）和C₆N₇价带（驱动OER），形成空间分离的"氧化-还原双引擎"。

方法

采用维也纳第一性原理计算包（VASP）结合DFT-D2范德华修正，系统评估了三种堆叠构型的稳定性。时间分辨非绝热分子动力学（NAMD）模拟揭示了载流子超快转移动力学：层间电子转移（7.68 ps）和空穴转移（38.63 ps）显著慢于复合过程，证实了S-型机制的可行性。

异质结结构与稳定性

TpPa（晶格常数22.54 ?）与C₆N₇（11.72 ?）通过2×1超胞匹配构建，最稳定构型的结合能达-2.38 eV。声子谱分析显示无虚频，而AIMD模拟证实其在500K下保持结构完整性，为实验制备奠定理论基础。

电子性质与光响应

该异质结呈现II型能带排列（带隙0.29 eV），通过内置电场促进电荷分离。紫外可见光谱显示其吸收边延伸至可见光区，理论STH效率（14.04%）超越多数单组分催化剂。pH动态模拟表明，在强酸（pH=0）和强碱（pH=12.91）条件下仍保持OER/HER驱动力平衡。

结论

TpPa/C₆N₇异质结通过S-型机制突破了传统光催化剂的限制：①无需贵金属助催化剂即可实现全解水；②七嗪单元赋予强氧化能力（OER驱动力3.19 V）；③微孔结构促进质量传输。这项工作为开发高效有机光催化剂提供了新思路。