有機半導體異質結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用。常見的異質結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。相比于聚合物半導體，小分子化合物具有明確的化學結構、容易純化、批次重復性高等獨特優勢，其較強的結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，涵蓋了更加廣泛的化學空間，然而其作為光催化劑目前受到的關注仍然較少。

1.從高通量篩選組合分子庫到渦流強化流動合成

在這項工作中，朱為宏院士/Andrew Cooper院士/李小波特聘教授團隊創新融合了組合分子庫、高通量自動化篩選和渦流強化流動合成，提出了小分子納米結光催化劑加速發現的新平臺。作者首先基于經典的吡啶縮合反應，由組合化學一次性合成了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；進一步利用高通量自動化光催化篩選平臺（串聯自動化樣品準備、高通量光催化實驗和氣相色譜分析）從該組合分子庫中篩選得出最具潛力的分子納米結組合；最后使用基于流動合成的渦流強化瞬時納米沉淀法（FNP）放大制備了最佳的分子納米結光催化劑（圖2）。最終，優化放大的MTPA-CA:CNP分子納米結在全光譜照射下的光催化制氫速率達到330.3?mmol?h^?1g^?1，在350 nm處的量子效率超過80%（圖3），為有機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制備的分子納米結光催化劑。如圖4所示，MTPA-CA和CNP雙分子在渦流對沖中形成了均勻的、直徑約30納米、長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構清晰可見，其結晶性與X射線粉末衍射數據正好對應。穩態熒光光譜和瞬態吸收光譜表明該分子納米結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構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，作者基于高通量實驗獲得的大量數據，使用理論計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，作者發現當以給體和受體分子之間的binding energy（E_b）為橫坐標，以光催化制氫量為縱坐標時，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可能是分子納米結光催化制氫的一個潛在“描述符”。

總之，該工作融合了組合分子庫、高通量自動化篩選和規模化流動合成，建立了分子納米結光催化劑的加速發現新平臺。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）應用于高通量篩選，將原料需求量大的瞬時納米沉淀法（FNP）應用于宏量制備，從而實現了高通量篩選到放大制備的知識轉移（Knowledge transfer）和跨越銜接。該工作中高通量自動化實驗結合理論模擬的研究發現方法不僅適用于光催化制氫，也適用于其他光化學反應。將小批量篩選與大批量制備融合的理念開辟了研發-生產一體化的化工研究新范式。