西安交大科研人员在细菌辅助光解水研究领域取得重要进展

由于环境和经济性优势，光解水制氢气成为近几十年来备受研究人员关注的问题之一。最常见的光解水体系需要多组分构成：无机化合物如二氧化钛、金属有机配合物如Ru(bpy)32+、有机染料如香豆素等作为光敏剂，紫精作为电子转移剂，胶体铂或铂（II）配合物作为催化剂。但在这类多组分参与的光解水体系中，分子间电子转移效率不高，电子传递过程容易被环境因素淬灭等，这大大影响了体系的产氢效率。同时，光解水体系往往还需要一定量的化学试剂作为电子/空穴牺牲剂，常见的牺牲剂多为亚硫酸钠、甲醇、四甲基乙二胺（TMEDA）和乙二胺四乙酸钠（EDTA）等。添加的过量牺牲剂不仅成本高，同时也会对水质和环境产生一定的影响。因此，亟需开发一种高效、环境友好的光解水制氢体系。

前期的研究表明，在光照下一定量的细菌也可以作为牺牲剂来促进苝酰亚胺或紫精的还原。课题组开发了一系列含硫族元素紫精，此类材料具有较窄的能隙、可见光区的吸收和优异的氧化还原性质，使其在可见光分解水产氢领域中可同时作为光敏剂和电子转移剂使用，大大简化了可见光催化体系，提高了产氢性能。可以预见，将铂（II）配合物与含硫族元素紫精相结合，有望将光敏剂、电子转移剂和催化剂的作用集于一身，实现高效的单组分可见光分解水制氢气。此外，如果使用细菌作牺牲剂，在可见光照射下不仅可以实现细菌触发的可见光分解水制氢气，还可以同时实现抗菌作用。

基于上述考虑，西安交通大学前沿院何刚教授、能动学院何雅玲院士联合课题组在前期含硫族元素紫精的研究基础上，将三联吡啶铂（II）作为催化中心，通过共价键连接在含硫族元素紫精的侧链上，合成了铂配位含硫族元素紫精（PtL+-EV2+，E=S，Se，Te），这类材料具有更强的可见光区吸收，同时实现了单分子的光敏剂、电子转移剂及催化剂三重作用。铂配位含硒紫精（PtL+-SeV2+）产氢量为22.46 μmol，转换数为58.9，回收率为85%。当使用细菌作牺牲剂时，尤其是使用兼性厌氧细菌，PtL+-SeV2+可以通过静电作用靠近细菌表面，在可见光激发下被还原为自由基状态。这一体系在产氢的同时，细菌在6小时内被完全杀死。细胞和小鼠毒性测试证实这种材料的环境毒性较低，有望应用于真实的水处理中。以实际环境污水为水源，添加一定量的含硒紫精衍生物，在光照条件下此系统就可实现良好的制氢、抗菌和除酸性能。这项工作为解决能源、环境和水资源问题提供了一种简便易行的方法，具有潜在的社会和经济价值。

以上研究结果以《铂(II)修饰含硫族元素紫精用于细菌辅助的光解水制氢》（Bacteria-Triggered Solar Hydrogen Production via Platinum(II) Tethered Chalcogenoviologens）为题发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上，西安交通大学助理教授李国平、周琨博士（已毕业）为本论文共同第一作者，西安交通大学为本文唯一通讯作者单位，这也是该团队在含主族元素紫精研究中的又一重要突破。该项研究工作得到了国家自然科学基金、“能源有序转化”基础科学中心项目、学校“青年拔尖人才”计划、分析测试共享中心等的支持。

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202115298

何刚教授课题组主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/ganghe