氢能由于绿色无污染等优点，被认为是最理想的化石能源替代品，而光催化分解水制氢被认为是最理想的氢能获得途径。目前，传统的光催化制氢几乎都是在纯水的条件下实现的，然而，地球上97%的水资源都是海水，由于海水中复杂多样的离子成分和微生物，使得海水中光解水产氢速率基本只有纯水中产氢速率的一半甚至更低。共价有机聚合物（Covalent Organic Polymers; COPs）因其比表面积的可调控性，结构的定向裁剪性，良好的稳定性，优良的可见光吸收性能以及快速的载流子传输性能，在光催化分解水产氢中的应用受到了越来越多的关注。因此，开发一种能够在海水中稳定高效的光解水制氢聚合物催化剂具有重大现实意义。

  针对以上难题，向中华教授团队设计合成了一种具有全共轭结构的无杂原子的共价有机聚合物COP-TF，该聚合物具有良好的可见光吸收能力，为了进一步提高COP-TF在海水中的光解水产氢速率，该团队创造性的设计了一种碳包覆的磷化镍作为助催化剂。（如图1）

图1.COP-TF@CNi₂P合成示意图

  磷化镍包覆的碳层在该光催化剂体系中具有重要的作用：（1）该碳层可以通过与共轭聚合物的π-π相互作用来增加CNi₂P 和COP-TF之间的吸引力，进而使得碳包覆的磷化镍（CNi₂P）紧密的负载到COP-TF表面；（2）该碳层有利于增强COP-TF与磷化镍之间电子传输，促进光生电子空穴的分离；（3）在光解水制氢过程中，该碳层可以有效降低磷化镍被海水侵蚀。因此，该催化剂（COP-TF@CNi₂P）在海水中的产氢速率为2.5mmolg^-1h-1，而且经过半个月的不连续产氢测试之后，仍然能够保持92%产氢速率。远远超过了另外三种著名的光催化剂（g-C₃N₄，TiO₂，CSd）在海水中的光解水产氢速率。该研究对于在海水中稳定高效的光催化剂设计具有重要的指导意义。

图2. （a）析氢反应的吉布斯自由能；（b）不同催化剂在海水中的产氢稳定性测试；（c）COP-TF@Ni₂P在海水中产氢稳定性测试。

  以上研究成果以“A Fully Conjugated Covalent Organic Polymer with Carbon-Encapsulated Ni₂P for Highly Sustained Photocatalytic H₂ production from Seawater”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces （ACS Appl Mater Interfaces. DOI: 10.1021/acsami.9b13540）上。论文第一作者为北京化工大学化工学院博士生刘瑶瑶，通讯作者为北京化工大学向中华教授。

  论文链接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.9b13540