近期，中国科学院金属研究所太阳能与氢能材料研究团队，利用“晶格工程”策略，通过给光催化材料聚三嗪酰亚胺（PTI）“补钙”改变其生长的“配方”，成功让它内部的光生电荷更容易分开并且各行其道，从而提高了太阳能水制氢效率。该研究成果近期发表在《自然·通讯》上。

聚三嗪酰亚胺（PTI）是一种碳氮聚合物半导体，因其低成本、环境友好、能带结构合适等特性，被认为在开展低成本规模化全分解水制氢方面具有巨大潜力。然而，当前PTI的光催化分解纯水制氢效率仍然较低，主要原因是其作为聚合物材料的致命弱点：当光照射时，PTI中成对产生的光生电荷（带负电、具有还原性的电子和带正电、具有氧化性的“空穴”）会很容易被引力“绑定”在一起、形成“激子”，并最终重新“拥抱”在一起消失掉，不能参与到相应的反应中，这也是许多聚合物半导体材料在将光能转化为其他能量形式时面临的共同挑战。

本项研究中，研究人员改变了PTI材料的生长环境和形核生长的基体。以往制备PTI时，使用的是氯化锂和氯化钾的混合熔盐，并由熔盐冷却时析出的晶体作为PTI形核和生长的基体。研究人员改用氯化锂和氯化钙的混合熔盐，最终制备出了一种钙掺杂PTI六棱纳米盘。与此前的PTI光催化剂相比，“补钙”后的催化剂“激子”中光生电子和“空穴”之间的结合能从48.2毫电子伏大大降低到15.4毫电子伏，比室温下的热扰动能（25.7毫电子伏）还要低，即在室温环境的热扰动下，激子中的光生电子和“空穴”就会自动“分手”，产生激子自发解离现象，形成自由电荷。

得益于“补钙”产生的功效，光催化剂分解纯水初始制氢活性提高了3.4倍。该研究为调控聚合物半导体光催化材料的光物理属性、推动聚合物半导体材料在不同光能转换场景中的应用，提供了可参考的有效策略。