芘基共轭聚合物还原后修饰及其光催化CO2还原性能研究

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化石能源的急剧消耗造成严重的能源危机和CO2等温室气体的大量排放,不利于人类社会的可持续发展。利用半导体光催化技术将CO2转化为CO、CH4、CH3OH等燃料或高值化学品,对于实现“2030碳达峰-2060碳中和”这一国家战略至关重要。相较于传统的无机材料,有机半导体材料因其易调控的结构、能级位置、光吸收性能等优势,近年来受到广泛研究。这其中,共轭聚合物具有较大的π共轭结构,有利于光生电荷的迁移,是一类重要的有机光催化材料,在光催化CO2还原中有较多研究。但是,其共轭结构的调控以及分子间π-π相互作用引起的纵向电子转移对光催化CO2还原性能的影响及其机制,尚不明晰。针对这一问题,本论文以芘基共轭聚合物为研究对象,通过简便的硼氢化钠还原法对聚合物材料进行后修饰,将聚合物的桥联碳碳双键(C=C)还原为碳碳单键(C-C),研究该聚合物π共轭结构的调控对其光生电荷的分离与迁移,及光催化CO2还原性能的影响。具体研究内容如下:(1)以芘、苯及联苯基小分子单体为原料,通过Knoevenagel缩合反应制备碳碳双键桥联的系列共轭聚合物(BCP、LBCP),然后以硼氢化钠为还原剂对合成的聚合物材料进行还原后修饰处理,制备系列碳碳单键桥联的共轭聚合物(BCP-R、LBCP-R)。以FTIR、XPS、NMR、SEM、TEM等表征手段对材料的结构、形貌、组成等进行表征,证明材料的成功制备。可见光催化CO2还原性能测试结果表明,以三乙醇胺和联吡啶钴为牺牲试剂和助催化剂的条件下,CO2还原产物为CO和H2。其中,可见光照射下BCP的CO产率为0.52 mmol g-1 h-1(选择性为52%),均优于LBCP。BCP材料经硼氢化钠处理后所得的BCP-R材料,其CO2还原性能进一步提升,CO产率达到了1.18 mmol g-1 h-1,为BCP的2.3倍,且选择性由52%提升到了75%。该性能提升效果可能是由于聚合物局部共轭结构的消失,引起分子层内的电子传递被抑制,而分子间基于π-π相互作用实现的分子层间电子传递途径得到增强,有利于光生电子向助催化剂联吡啶钴分子的转移。(2)分别以推(-OMe)拉(-F)电子基团对BCP材料进行改性,制备BCP-F和BCP-OMe共轭聚合物,然后使用硼氢化钠对合成的聚合物材料进行还原后修饰,制备BCP-F-R和BCP-OMe-R材料。通过FTIR、XPS、NMR等表征手段证明成功实现了材料的还原后修饰。可见光催化CO2还原性能测试结果表明,F的引入可提升BCP的CO产率,而OMe的引入则急剧降低CO的产率。硼氢化钠还原后,BCP-F-R的性能几乎下降了一半,而BCP-OMe-R的性能则有大幅提升。这些结果为共轭聚合物的改性设计及性能调控提供了新的思路。
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