环铂金属高分子纳米颗粒用作产氢催化剂

大自然中，植物可以将吸收的太阳能转换成化学能，并提供其所需的养分与能量。师法自然，模拟植物光合作用，一直是科学家感兴趣的课题。近年来，发展人工光合作用、利用半导体高分子材料作为光触媒进行以太阳光催化水分解的产氢技术引起越来越多的关注，氢气具有极高的能量密度以及反应仅产生水跟热的特性，是非常干净与理想的绿色能源，被誉为取代石油的最佳终极能源。然而现今在氢气的制备中，九成以上仍是利用甲烷生产，其过程会产生二氧化碳，导致温室效应的问题。因此，如何有效地利用地球上取之不尽的两大丰富来源太阳以及水来产生氢气，是未来最重要的终极产氢技术。而以往的报道中不论是无机还是有机材料的光催化产氢技术，常会添加过渡金属作为共催化剂来提高效率，但却会造成系统具有高毒性的疑虑，此外都需要加入甲醇来帮助材料分散与溶解，并非完全的纯水溶液。

台湾清华大学化学工程学系的助理教授周鹤修团队开发的“含环铂金属络合物半导体高分子纳米颗粒”很好地解决了上述缺憾，这种环铂金属高分子纳米颗粒的设计是首次将原本高毒性的环铂金属络合物以化学键的方式引入高分子主链中，并将其制备成低毒性的高分子纳米颗粒。在可见光的照射下（> 420 nm），该设计相比于不含环的铂金属络合物的高分子产氢效率（HER 1.3 mmol•h^-1•g^-1）不仅能提高12倍左右，达到HER 12.7 mmol•h^-1•g^-1，且不会有过去使用过渡金属作为共催化剂的方式所造成的毒性上升问题，由此体现了此种以化学键结合金属共催化剂方式的优势，也由于此高分子纳米颗粒外面覆盖着亲水的高分子基团，并不需要外加甲醇的方式帮助高分子分散于纯水溶液中，为太阳光高分子产氢系统提供了一种全新的设计思路。

该论文作者为：Po-Jung Tseng, Chih-Li Chang, Yang-Hsiang Chan, Li-Yu Ting, Pei-Yu Chen, Chia-Hsien Liao, Ming-Li Tsai and Ho-Hsiu Chou

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Design and Synthesis of Cycloplatinated Polymer Dots as Photocatalysts for Visible Light–Driven Hydrogen Evolution

ACS Catal., 2018, 8, 7766, DOI: 10.1021/acscatal.8b01678

周鹤修博士简介

周鹤修，台湾清华大学化学工程学系助理教授；2010年于台湾清华大学取得博士学位，2013年至2016年美国斯坦福大学化学工程学系担任博士后学者，2017年2月就职于台湾清华大学。

周鹤修的研究领域是有机半导体材料的开发、性能以及应用于电子皮肤与太阳能水分解技术，在相关领域发表SCI论文20余篇，包括Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Catalysis、Nano Letters、Science、ACS Central Science 等；获授权专利超过10项，并获选为2017年台湾MOST青年科学基金（哥伦布计划得主）。

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们希望能解决太阳能水分解产氢系统中触媒材料需要外加甲醇以及添加过渡金属共催化剂会造成系统毒性上升的问题。过去都是以物理掺杂共催化剂的方式引入水分解系统中，因此我们希望尝试以化学键的方式引入过渡金属，而半导体高分子在设计上具有这种优势与可行性，因此结合这两种想法，我们开发了这种新颖的“含环铂金属络合物的半导体高分子纳米颗粒”。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：该研究中最大的挑战首先是如何将环铂金属络合物以化学键的方式引入到半导体高分子中以及环铂金属络合物包覆在亲水高分子纳米颗粒中，是否仍能扮演共催化剂的角色，因此未来希望有相关领域的研究者一起合作将研究推动到更高的层次。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：现今美国、日本、德国、中国等国家都规划氢气来逐渐取代天然气与石油，利用氢气带动所有产业，并且将氢能运作的相关规划上升到国家能源战略的高度，其重要性不言而喻。我们相信这项研究成果为太阳能水分解产氢的方式提供了一种有效提高效率且无毒、无需添加甲醇的新颖思路，将对相关领域的发展产生推动作用。

繁體中文版本：

環鉑金屬高分子納米顆粒用作產氫催化劑

大自然中，植物可以將吸收的太陽能轉換成化學能，並提供其所需的養分與能量。師法自然，模擬植物光合作用，一直是科學家感興趣的課題。近年來，發展人工光合作用、利用半導體高分子材料作為光觸媒進行乙太陽光催化水分解的產氫技術引起越來越多的關注，氫氣具有極高的能量密度以及反應僅產生水跟熱的特性，是非常乾淨與理想的綠色能源，被譽為取代石油的最佳終極能源。然而現今在氫氣的製備中，九成以上仍是利用甲烷生產，其過程會產生二氧化碳，導致溫室效應的問題。因此，如何有效地利用地球上取之不盡的兩大豐富來源太陽以及水來產生氫氣，是未來最重要的終極產氫技術。而以往的報導中不論是無機還是有機材料的光催化產氫技術，常會添加過渡金屬作為共催化劑來提高效率，但卻會造成系統具有高毒性的疑慮，此外都需要加入甲醇來説明材料分散與溶解，並非完全的純水溶液。

臺灣清華大學化學工程學系的助理教授周鶴修團隊開發的“含環鉑金屬絡合物半導體高分子納米顆粒”很好地解決了上述缺憾，這種環鉑金屬高分子納米顆粒的設計是首次將原本高毒性的環鉑金屬絡合物以化學鍵的方式引入高分子主鏈中，並將其製備成低毒性的高分子納米顆粒。在可見光的照射下（> 420 nm），該設計相比於不含環的鉑金屬絡合物的高分子產氫效率(HER 1.3 mmol•h^-1•g^-1)不僅能提高12倍左右，達到HER 12.7 mmol•h^-1•g^-1，且不會有過去使用過渡金屬作為共催化劑的方式所造成的毒性上升問題，由此體現了此種以化學鍵結合金屬共催化劑方式的優勢，也由於此高分子納米顆粒外面覆蓋著親水的高分子基團，並不需要外加甲醇的方式説明高分子分散於純水溶液中，為太陽光高分子產氫系統提供了一種全新的設計思路。

周鶴修博士簡介

周鶴修，臺灣清華大學化學工程學系助理教授；2010年于臺灣清華大學取得博士學位，2013年至2016年美國斯坦福大學化學工程學系擔任博士後學者，2017年2月就職於臺灣清華大學。

周鶴修的研究領域是有機半導體材料的開發、性能以及應用於電子皮膚與太陽能水分解技術，在相關領域發表SCI論文20餘篇，包括Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Catalysis、Nano Letters、Science、ACS Central Science 等；獲授權專利超過10項，並獲選為2017年臺灣MOST青年科學基金（哥倫布計畫得主）。

科研思路分析

Q：這項研究最初是什麼目的？或者說想法是怎麼產生的？

A：如上所述，我們希望能解決太陽能水分解產氫系統中觸媒材料需要外加甲醇以及添加過渡金屬共催化劑會造成系統毒性上升的問題。過去都是以物理摻雜共催化劑的方式引入水分解系統中，因此我們希望嘗試以化學鍵的方式引入過渡金屬，而半導體高分子在設計上具有這種優勢與可行性，因此結合這兩種想法，我們開發了這種新穎的“含環鉑金屬絡合物的半導體高分子納米顆粒”。

Q：研究過程中遇到哪些挑戰？

A：該研究中最大的挑戰首先是如何將環鉑金屬絡合物以化學鍵的方式引入到半導體高分子中以及環鉑金屬絡合物包覆在親水高分子納米顆粒中，是否仍能扮演共催化劑的角色，因此未來希望有相關領域的研究者一起合作將研究推動到更高的層次。

Q：該研究成果可能有哪些重要的應用？哪些領域的企業或研究機構可能從該成果中獲得幫助？

A：現今美國、日本、德國、中國等國家都規劃氫氣來逐漸取代天然氣與石油，利用氫氣帶動所有產業，並且將氫能運作的相關規劃上升到國家能源戰略的高度，其重要性不言而喻。我們相信這項研究成果為太陽能水分解產氫的方式提供了一種有效提高效率且無毒、無需添加甲醇的新穎思路，將對相關領域的發展產生推動作用。