科学家找到一种新方法，用阳光高效制取燃料

德国德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）下属先进系统理解中心（CASUS）的研究团队，开发出一种可靠且可重复的理论计算方法，用于精准预测金属离子对聚庚嗪酰亚胺（一种新型碳氮化合物光催化剂）性能的影响。聚庚嗪酰亚胺属于碳氮材料家族，结构类似石墨烯但由富氮环状分子单元堆叠而成；与导电性优异却难以用于光催化的石墨烯不同，它具有合适的电子带隙，能吸收可见光，从而驱动阳光参与的化学反应。这类材料成本低、无毒、耐高温，但早期版本因内部电子-空穴易复合（能量以热或光形式耗散，无法用于反应）而效率低下。研究发现：在材料带负电的孔道中引入带正电的金属离子，可大幅改善电子与空穴的分离效率，提升催化活性。第一作者扎赫拉·哈贾赫马迪博士系统考察了53种金属离子，分析它们在材料层内或层间的嵌入位置及其引发的结构畸变，并首次采用超越常规的‘多体微扰理论’方法——该方法从简化模型出发，逐步加入粒子间相互作用修正，虽计算量大，却能更真实地模拟光照下材料的光吸收行为和电子结构变化。团队据此设计并实际合成8种含不同金属离子的聚庚嗪酰亚胺样品，实验测试其过氧化氢生成能力，结果与理论预测高度吻合，且优于传统计算方法。CASUS主任托马斯·屈内教授指出，这项工作不仅证实了聚庚嗪酰亚胺是下一代可持续光催化技术最具前景的平台之一，更打通了‘按需设计高效催化剂’的路径，将有力推动太阳能制氢、二氧化碳还原制燃料/化工原料、绿色过氧化氢生产等关键技术的实用化。