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基于有机聚合物实现光催化分解水-岩拓气凝胶

基于有机聚合物实现光催化分解水

利用太阳能进行光催化分解水是一种从可再生能源中产生可储存燃料,而不会对环境产生影响的策略。近年来,研究人员对可通过交叉偶联或缩合反应合成的其它共轭有机材料(共轭微孔聚合物(CMPs)、线性共轭聚合物等)进行了广泛研究。但是,最终是需要开发不依赖牺牲清除剂的系统。近日,福州大学的王心晨教授、英国利物浦大学的Andrew I. Cooper和Reiner Sebastian Sprick以及英国伦敦大学学院的Martijn A. Zwijnenburg(共同通讯作者)等人联合报道他们研究了一系列负载钴(Co)的线性共轭聚合物光催化剂分解水产生氧气的过程(图1)。首次报道了利用线性共轭聚合物可以光催化分解水反应该工作以题目为“Water oxidation with cobalt-loaded linear conjugated polymer photocatalysts”发表在国际著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上,并被Nature Reviews Materials作为亮点点评。

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作者研究了十种聚合物,除P1和P17外,其它所有聚合物均通过前期的泛函密度理论(DFT)计算预测为具有水氧化所需的驱动力。除P17外,所有聚合物均使用Pd(0)催化的二溴芳烃与二硼酸/酸酯酯芳烃的Suzuki-Miyaura缩聚反应制备,而P17使用二苯三醇和二溴噻吩的Stille偶联制备。在催化实验之前,通过光沉积Co的方式将这些聚合物负载在一种辅助催化剂上。此外,作者还利用瞬态吸收光谱法研究了性能最佳的系统,发现在存在电子清除剂下,激子发生了快速的氧化猝灭(皮秒),从而最大程度地减少了重组。

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图1、用于水氧化的10种线性聚合物光催化剂的结构

 

事实上,为了实现高的能量转换效率,用于分解水的光催化剂必须在太阳光下有效运行,其中很大一部分是可见光区域。然而,传统上用于分解水的光催化剂是基于无机半导体的,因此调整这些材料的性能面临巨大挑战。对于该研究成果,主要研究人员之一的Andrew Cooper曾说道:“有机聚合物光催化剂的可能优势包括其光吸收性能的可调性和其溶液的可加工性,使生产大面积器件成为可能。”

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图2、比较不同线性共轭聚合物的性能

 

首先,该团队合成了10种线性共轭聚合物,在理论上预测它们具有水氧化的热力学驱动力。然后,再将Co基助催化剂负载到每种聚合物上。

在宽频带辐射、存在AgNO3作为电子清除剂的情况下,8种负载Co的聚合物表现出一定的光活性,氧气的释放速率跨度为0.2-16.6 μmol h-1。其中,表现最好的材料是P10,具有最深的电离势,因此具有最大的水氧化驱动力。此外,该团队还通过使用光遮蔽度测量来比较聚合物的水分散性,从而进一步了解聚合物的相对性能。

在所有聚合物中,P10的悬浮液最不透明且具有最低的透射率,表明它在水中形成最稳定的分散体。这一点是非常重要的,因为产生氧气反应是非均相的,并且发生在催化剂-水界面处。

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图3、线性共轭聚合物P10的性能

在可见光照射下,P10的氧气释放速率降低至5.2 μmol h-1

在相同条件下,虽然该值比无机光催化剂的基准值低很多,但是比负载Co的三嗪基光催化剂高得多。该研究成果表明开发有机水氧化催化剂和有机质子还原催化剂等进行分解水是发展全有机体系的重要一步。然而,目前提高有机聚合物光催化剂的长期稳定性和催化性能,以达到无机材料的水平仍然面临巨大挑战。

对此,Andrew I. Cooper及其同事认为:“虽然门槛很高,但是他们计划使用自主机器人来定位复杂的、多组分的全有机或有机-无机杂化系统。”总之,相信未来有机聚合物光催化剂将满足实际要求,实现大规模的光催化分解水,助力解决能源危机和环境污染!

 

全文链接:

1、https://doi.org/10.1038/s41578-020-0228-7

2、https://doi.org/10.1002/anie.202008000

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