近日，高原交汇区水资源安全与水环境保护教育部重点实验室（以下简称重点实验室）卢小泉教授带领研究小组在光电化学水分解领域取得突破性进展。研究小组通过巧妙设计酞菁分子的配体锚定位点，成功开发出一种具有强内建电场和分子边缘电荷传输路径的功能材料，显著提升了光电极的水分解效率。相关成果以“Phthalocyanine Grafting Strategy Induces Strong Intrinsic Electric Fields and Molecule-Edge Carrier Transport Pathways for Photoelectrochemical Water Splitting”为题，发表在化学顶级期刊Angewandte Chemie International Edition（《德国应用化学》）上，并被选为热点（Hot Paper）论文。
图1.功能化酞菁在光电催化水分解过程中的作用机制
随着全球对清洁能源需求的激增，利用太阳能驱动水分解制氢被视为实现碳中和的关键路径之一。然而，传统光电化学（PEC）体系仍面临电荷分离效率低、载流子迁移速率慢、界面复合严重等技术瓶颈。尤其在光阳极材料中，如何有效优化电荷传输路径、增强内建电场成为提升性能的核心难题。卢小泉研究团队以铜酞菁（CuPc）为核心骨架，通过在分子中引入咔唑基团（Cz）作为供电子基团，并优化其锚定位置，合成了三种酞菁衍生物:4-乙基咔唑铜酞菁,8-叔丁基咔唑铜酞菁,4-叔丁基咔唑铜酞菁（4EtCz-Pc、8tBCz-Pc、4tBCz-Pc）。理论计算表明，4EtCz-Pc因独特的芳环配位结构的空间排布方式，展现出最大的偶极矩（3.83 Debye）和边缘正静电势分布，能够在分子边缘形成高效的空穴传输通道。
图2.策略示意图以及不同酞菁衍生物的结构与性能的比较
实验结果进一步表明，基于4EtCz-Pc修饰的BiVO₄光阳极（Co(OH)₂/4EtCz-Pc/BiVO₄）在模拟太阳光下表现出优异的性能并在持续工作15小时后仍能保持较好的性能。通过扫描光电化学显微镜（SPECM）和强度调制光电流谱(IMPS)分析，证实该材料显著加速了空穴注入动力学，提高了界面电荷转移效率。本研究提出的酞菁分子工程策略为设计高效光电化学体系提供了新思路。通过精准调控功能分子的构型，有望进一步突破太阳能转化效率的限制。
该文的第一作者为重点实验室罗维博士和肖晖副教授，通讯作者为卢小泉教授、西安交通大学卢炳章教授、杜佩瑶教授，西北师范大学为第一通讯单位。研究得到了国家自然科学基金（项目编号：22174110、22127803、22222408），甘肃省高校科研创新平台重大培育项目（项目编号：2024CXPT-05），甘肃省自然科学基金重点项目（项目编号：24JRRA779），甘肃省校企合作项目（项目编号：2025CYZC-011），甘肃省自然科学基金项目（项目编号：24JRRA133），以及甘肃省教育厅高校教师创新基金项目（项目编号：2024A-003）的支持。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202504589.