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陕西师范大学蒋加兴教授:合理设计D-π-A结构共轭微孔聚合物用于光催化分解水制氢
2018-06-14 来源:中国流变网    点击次数:90次    

  氢能开发是未来解决能源危机和环境污染问题的理想途径之一,利用太阳能光催化分解水制氢被认为是一种极具潜力的制氢技术,而开发高效、廉价的实用性新型光催化剂是实现这一技术的关键,成为当前该领域的研究热点。有机共轭微孔聚合物由于具有合成方法多样、易功能化修饰、高的比表面积、化学结构和电子结构可调等诸多优势,使其成为一类发展潜力巨大的新型光催化剂材料,吸引了众多科研工作者的广泛关注。

  陕西师范大学蒋加兴教授长期致力于共轭微孔聚合物研究,在气体吸附,荧光传感,锂离子电池,超级电容器等方面取得了大量的研究成果。近年来,在制备共轭微孔聚合物光催化分解水制氢新材料方面做了突破性的研究工作。比如,以苝为核心结构单元,通过选择苯环上溴原子的取代位置和数量的不同制备出具有不同比表面积的共轭微孔聚合物,研究发现,随着链接位点的增加聚合物比表面积逐渐增大,同时光催化产氢性能逐渐增加(Macromol. Chem. Phys. 218 (2017) 1700049)。在此基础上,选择具有四取代官能团的功能分子芘和四苯基乙烯,制备出两种具有四臂结构的共轭微孔聚合物光催化剂材料,应用于光催化分解水制氢(Sci. China Chem. 60 (2017) 1075–1083)。

  最近,陕西师范大学蒋加兴教授课题组设计并合成了两个系列具有D-π-A结构的共轭微孔聚合物。通过调节苯并噻二唑和芘的比例,调控聚合物的比表面积,孔性能,能级带隙,以及聚合物中光生电子的传输性能,从而进一步调控其光催化制氢性能。从分子结构上来看,芘具有较高的共轭程度,苯并噻二唑具有较强的吸电子性,芘和苯并噻二唑共聚与聚合物中有利于光的吸收,同时,芘和苯并噻二唑均具有较高的共平面性,有利于光生电子在分子内的传输。因此,该共聚体系有利于光催化分解水制氢。

具有D-π-A结构的共轭微孔聚合物的制备及结构

  对比两个系列聚合物可以发现,以苯为联接单元的聚合物共轭程度高于以联苯为联接单元的聚合物,因此,其具有较高的光催化分解水制氢性能。研究发现,两个系列聚合物的光催化产氢性能随着苯并噻二唑含量的增加呈现出先增大后减小的趋势。其中,芘和苯并噻二唑的比例为9:2时具有最高的光催化分解水制氢性能,在紫外可见光照射下,产氢速率达到106 μmol h–1。以光催化产氢最好的聚合物PyBT-2为例,进行了长时间的光稳定性测试,结果发现,连续照射30个小时,其光催化产氢性能并没有明显减少,表面聚合物光催化剂具有良好的光稳定性。同时,在相同条件下制备出另外四个批次的聚合物PyBT-2,对比了其光催化产氢性能。相同条件下测试了其光催化产氢性能,五个批次聚合物的光催化产氢性能在103 ~ 123 μmol h–1 之间,虽略有不同,但差别不大,表面这一系列聚合物具有良好的可重复性。

 (a)具有D-π-A结构的共轭微孔聚合物的光催化产氢速率;(b)聚合物PyBT-2的光催化循环稳定性测试;(c)不同批次制备的聚合物PyBT-2的光催化产氢性能.

  最后,以聚合物PyBT-2为例,在紫外可见光照射下测试了其产氧性能,光照八个小时后,计算其产氧速率为57.9 μmol h–1。对比其产氢速率可以发现,二者非常接近与2:1,表明这一系列聚合物具有光催化全分解水的潜能,下一步工作将围绕这一性能重点展开。相关工作发表在国际著名杂志Appl. Catal. B: Environ.上。论文第一作者为许云峰博士,现在西京学院理学院有机高分子光电材料重点实验室从事教学科研工作;通讯作者为陕西省“百人计划”入选者,陕西师范大学特聘教授,陕西师范大学材料科学与工程学院蒋加兴教授。该工作受到国家自然科学基金(21574077和21304055),中央高校研究生创新基金(2016CBZ001)以及四川大学高分子材料工程国家重点实验开放基金(sklpme2016-4-22)资助。

  论文出处:Rational Design of Donor-π-Acceptor Conjugated Microporous Polymers for Photocatalytic Hydrogen Production. Appl. Catal. B: Environ. 228 (2018) 1–9. 

  论文作者:Yunfeng Xu, Na Mao, Chong Zhang, Xue Wang, Jinghui Zeng, Yu Chen, Feng Wang, and Jia-Xing Jiang.

  原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337318300985

 
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