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Organic crystalline nanoparticles with a long-lived charge-separated state for efficient photocatalytic hydrogen production

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作者
Bin Cai,Andjela Brnovic,Mariia V. Pavliuk,Leif Hammarström,Lars Kloo,Sarah A. Barnett,Haining Tian
出处
期刊:Nature Chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:18 (4): 723-730
标识
DOI:10.1038/s41557-025-02035-z
摘要

Photocatalysis offers a promising approach for renewable energy conversion and storage, but short lifetimes of charge-separated states in photocatalysts due to charge recombination limit its utility. Here we report an organic molecule with an acceptor-donor-acceptor configuration that can self assemble into highly crystalline nanoparticles. Transient absorption spectroscopy reveals that these crystalline assemblies can induce an ultra-long-lived charge-separated state of up to 1.2 s, attributed to initial symmetry-breaking charge separation, followed by charge hopping across closely packed molecules. These self-assembled nanoparticles have an impressive photocatalytic H2 evolution rate of 126 mmol g-1 h-1 with an external quantum efficiency of 12% at 550 nm under optimized conditions. This system shows a remarkable stability with 220 million turnover numbers (per particle) over the 77 h of operation. These findings suggest that rational design of organic molecules and their aggregates is vital for improving light-induced charge separation and for developing highly efficient, stable and scalable organic photocatalysts.
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