有機(jī)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)納米顆粒由于良好的激子解離和電荷分離效率在光催化分解水制氫中有著重要的應(yīng)用。常見的異質(zhì)結(jié)納米顆粒是由聚合物/聚合物或聚合物/小分子共混得到，然而聚合物的分子量控制始終是挑戰(zhàn)。相比于聚合物半導(dǎo)體，小分子化合物具有明確的化學(xué)結(jié)構(gòu)、容易純化、批次重復(fù)性高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其較強(qiáng)的結(jié)晶性和相純度有助于提高電荷遷移率和降低能量損失。此外，小分子可修飾性強(qiáng)，涵蓋了更加廣泛的化學(xué)空間，然而其作為光催化劑目前受到的關(guān)注仍然較少。

1.從高通量篩選組合分子庫(kù)到渦流強(qiáng)化流動(dòng)合成

在這項(xiàng)工作中，朱為宏院士/Andrew Cooper院士/李小波特聘教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新融合了組合分子庫(kù)、高通量自動(dòng)化篩選和渦流強(qiáng)化流動(dòng)合成，提出了小分子納米結(jié)光催化劑加速發(fā)現(xiàn)的新平臺(tái)。作者首先基于經(jīng)典的吡啶縮合反應(yīng)，由組合化學(xué)一次性合成了26種小分子受體（圖1，CNP）；接著將這些小分子受體與一系列給體分子通過超聲納米沉淀法（UNP），制備出包含186種組合的分子庫(kù)；進(jìn)一步利用高通量自動(dòng)化光催化篩選平臺(tái)（串聯(lián)自動(dòng)化樣品準(zhǔn)備、高通量光催化實(shí)驗(yàn)和氣相色譜分析）從該組合分子庫(kù)中篩選得出最具潛力的分子納米結(jié)組合；最后使用基于流動(dòng)合成的渦流強(qiáng)化瞬時(shí)納米沉淀法（FNP）放大制備了最佳的分子納米結(jié)光催化劑（圖2）。最終，優(yōu)化放大的MTPA-CA:CNP分子納米結(jié)在全光譜照射下的光催化制氫速率達(dá)到330.3?mmol?h^?1g^?1，在350 nm處的量子效率超過80%（圖3），為有機(jī)光催化劑最高效率之一。

2.具有高效電荷分離的一維分子納米結(jié)光催化劑

作者使用了掃描電子顯微鏡、掃描透射顯微鏡和冷凍電鏡等手段分析了由FNP制備的分子納米結(jié)光催化劑。如圖4所示，MTPA-CA和CNP雙分子在渦流對(duì)沖中形成了均勻的、直徑約30納米、長(zhǎng)度約幾微米的纖維形貌，高分辨透射顯微鏡下其有序組裝結(jié)構(gòu)清晰可見，其結(jié)晶性與X射線粉末衍射數(shù)據(jù)正好對(duì)應(yīng)。穩(wěn)態(tài)熒光光譜和瞬態(tài)吸收光譜表明該分子納米結(jié)具有良好的激子解離特性（圖5）。因此，MTPA-CA:CNP的高催化制氫性能可歸因于其有序組裝的納米纖維結(jié)構(gòu)以及良好的電荷分離。

3.潛在的光催化分解水制氫“描述符”

最后，作者基于高通量實(shí)驗(yàn)獲得的大量數(shù)據(jù)，使用理論計(jì)算的方法研究了影響光催化制氫性能的可能因素。有趣的是，作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)以給體和受體分子之間的binding energy（E_b）為橫坐標(biāo)，以光催化制氫量為縱坐標(biāo)時(shí)，可以獲得一條形似火山型的曲線（圖6）。具有高催化活性的分子納米結(jié)組合的E_b都位于0.15–0.25?eV之間，表明E_b可能是分子納米結(jié)光催化制氫的一個(gè)潛在“描述符”。

總之，該工作融合了組合分子庫(kù)、高通量自動(dòng)化篩選和規(guī)模化流動(dòng)合成，建立了分子納米結(jié)光催化劑的加速發(fā)現(xiàn)新平臺(tái)。值得注意的是，作者巧妙使用了兩種納米合成方法，將原料需求量少的超聲納米沉淀法（UNP）應(yīng)用于高通量篩選，將原料需求量大的瞬時(shí)納米沉淀法（FNP）應(yīng)用于宏量制備，從而實(shí)現(xiàn)了高通量篩選到放大制備的知識(shí)轉(zhuǎn)移（Knowledge transfer）和跨越銜接。該工作中高通量自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論模擬的研究發(fā)現(xiàn)方法不僅適用于光催化制氫，也適用于其他光化學(xué)反應(yīng)。將小批量篩選與大批量制備融合的理念開辟了研發(fā)-生產(chǎn)一體化的化工研究新范式。