半导体颗粒驱动的太阳能水分解为氢气制备提供了一条可持续的途径。二维π-共轭聚合物因其成本效益和光电可调性而成为有前景的光催化剂。然而，聚合物的光生激子（电子-空穴对）主要在共轭的二维平面内离域和传输，而层与层之间仅靠较弱的范德华力相互作用，导致面外电荷传输极其困难。这种准二维限制使得载流子极易在体相或表面复合，是限制量子效率的根本原因。尽管科研工作者广泛对电子结构进行改性以增强平面内电荷分离，但大量研究工作仍未能有效提升量子效率。为了最大限度地提高电荷利用效率，主要挑战在于诱导平面外载流子迁移，即促进载流子通过范德华键合层流动。
二、【创新成果】
基于此，福州大学王心晨教授与日本信州大学Kazunari Domen教授联合，在Nature上发表了题为“Photocatalytic water splitting by 2D polymer with out-of-plane carrier flow”的论文，报道利用高分辨电镜技术，通过光沉积法在聚三嗪亚胺（PTI）单晶上定点沉积电子（Rh）和空穴（CoOx）探针，首次从纳米尺度直接观察到光生载流子主要聚集在晶体的棱面（P面），而基面（B面）几乎没有探针，直观证实了载流子被限制在二维平面内。研究人员通过精巧的晶面选择性表面工程，在晶体的不同晶面（P面和B面）上分别构建了横向和纵向的内建电场（IEF）。这些内建电场成功打破了PTI中固有的准二维载流子传输限制，激活了穿过范德华堆叠层的面外载流子迁移，实现了光生电子和空穴在三维空间上的高效空间分离。最终，横向和纵向电场全解水的表观量子效率（AQE）分别创纪录达到53.4%和82.1%，太阳能制氢效率突破1%。本研究提出的固有二维受限激发态转变为动力学驱动的三维空间分离态，为通过聚合物光催化实现能量转换最大化铺平了道路。
三、【图文解析】
图1 二维π-共轭聚合物晶体中本征光生载流子传输特性 © 2026 Springer Nature
图2 通过在P面上选择性包覆磷酸化纳米薄膜来构建横向IEFs © 2026 Springer Nature
图3 通过在B晶面上进行晶面选择性缺陷工程来构建纵向IEFs © 2026 Springer Nature
图4 光催化全解水性能评估 © 2026 Springer Nature
四、【科学启迪】
综上，本研究首次直观证实了二维π-共轭聚合物光催化剂中光生载流子被局限在共轭平面内，导致严重复合和低量子效率。基于此，研究人员提出并实现晶面选择性表面工程构建内建电场，选择性地在PTI晶体的不同晶面构建纳米薄膜，分别构建了横向和纵向的IEFs，在三维空间实现载流子分离，从而实现了光催化全解水AQE达53.4%和82.1%、太阳能制氢效率突破1%，刷新领域上限。本研究为低成本无金属光催化制氢走向实用化提供核心理论与实验支撑，同时为二维材料光电、光电器件载流子调控开辟全新思路。
原文详情：Photocatalytic water splitting by 2D polymer with out-of-plane carrier flow (Nature 2026, DOI: 10.1038/s41586-026-10866-0)
本文由赛恩斯供稿。
