图 （a）PTI晶体表面横向（左）与垂直（右）内建电场的构筑示意图，及其对光生载流子空间分离与输运路径的调控机制；（b）光催化分解水制氢反应的波长依赖性AQE对比；（c）光催化反应过程中氢气（H₂）与氧气（O₂）生成的实时影像

　　在国家自然科学基金项目（批准号：22032002、U24A20567、52222102、22272024）等资助下，福州大学王心晨教授及日本信州大学Kazunari Domen教授合作团队，在光催化分解水制氢方面取得进展。研究成果以“面外载流子流驱动的二维聚合物光催化分解水（Photocatalytic water splitting by 2D polymer with out-of-plane carrier flow）”为题，于2026年7月29日发表在《自然》（Nature）杂志上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10866-0。

　　光催化分解水是实现低成本、大规模绿氢制备的理想途径。二维（2D）π共轭聚合物光催化剂具有资源丰富、制备成本低、光电性质易于调控等优势，是太阳能分解水制氢的重要候选材料。相较于3D无机光催化剂，聚合物的光激发态通常局域于共轭平面内，会引发严重的体相电荷复合。尽管科学界长期致力于通过分子骨架调控、结构优化等策略增强面内电荷分离能力，但其2D限域特性从根本上阻碍了光催化分解水表观量子效率（AQE）的提升。因此，如何突破2D电子结构限制，实现光生载流子的跨层定向输运与高效分离，成为聚合物光催化领域面临的核心科学挑战。

　　针对这一难题，上述团队以聚三嗪亚胺（PTI）型氮化碳单晶为模型体系，通过晶面选择性表面工程策略，在PTI不同晶面诱导形成具有方向性的内建电场，成功激活了跨越数百个π共轭层的面外载流子输运，实现了光生电荷的定向分离（图a）。进一步研究发现，横向与垂直方向内建电场的构筑能够显著促进光催化分解水析氢、析氧速率，分别将AQE提升至53.4%和82.1%（图b）。其中，最高太阳能-氢能（STH）转换效率达到1.06%，可在光照下持续生成氢气与氧气（图c）。

　　该研究突破了聚合物光催化剂中准2D载流子输运的本征限制，实现了从2D限域激发态向3D空间电荷分离态的范式转变，为发展高效聚合物光催化剂提供了新的设计理念。研究所揭示的“IEF诱导面外载流子输运”机制，有望为更多低维无机半导体及有机-无机杂化半导体中的电荷调控与高效能量转换提供理论指导。