含硫砜基共轭聚合物的合成及光催化制氢性能研究

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人类的生存和社会的可持续发展离不开源源不断的能源供给,目前化石能源是人类生产生活中最重要的能量来源,而化石能源的有限储量和人类无节制的大量开采不仅使人类面临能源短缺问题,还带来了严重的环境污染和气候变化问题。各国科学家一直致力于寻找和开发能够替代化石燃料的清洁可持续新能源。受植物光合作用过程的启发,人们开发出了一系列半导体光催化剂,这些材料可直接利用太阳光的能量裂解水产生环境友好且可再生的能源-氢能。在众多的光催化剂中,新兴的有机共轭聚合物光催化剂因其具有结构和光学性质灵活多变、孔隙度和骨架结构可调、环境友好、光热稳定性好、以及独特的光生载流子传输性能等优势,近年来引起科研人员的广泛关注。二苯并噻吩砜是一种缺电子型芳香杂环,因其高的电荷分离能力和高的电子亲合能引起了广泛的研究兴趣。此外,磺酰基很好的亲水性增加了激子扩散到光催化剂与水界面的可能性,这些特性使二苯并噻吩砜成为目前具有发展潜力的光催化剂构筑单元之一。此前的研究表明D-A结构能显著增强聚合物的光催化活性,但D-A结构不对称的电子推拉作用容易造成光生电子和空穴的快速复合,限制了光催化剂的光催化活性。因此,通过调节聚合物骨架中推拉电子单元的比例以平衡电子的推拉作用,能有效的减少光生电子和空穴的快速复合,进而提高光催化剂的光催化活性。基于此,本论文分别以螺二芴和芘为供电子单元、二苯并噻吩砜为接受电子单元,通过调节D/A的摩尔比例,制备一系列具有不同结构和性质的共轭聚合物,系统研究推拉电子单元的比例和不同的供电子单元(螺二芴、芘)对材料的光催化制氢性能的影响,探索能有效改善材料光催化制氢性能的因素,为新型光催化剂的设计提供理论依据。本论文的主要研究内容如下:(1)基于螺二芴单元高度扭曲的螺旋结构可使材料具有较大的比表面积,故以螺二芴为电子供体单元,二苯并噻吩砜为电子受体单元合成一系列不同推拉电子作用的共轭聚合物。通过调控D/A的摩尔比例研究推拉电子单元的比例对光催化剂的光催化制氢性能的影响。实验结果表明,随着D/A摩尔比的增加,聚合物的产氢活性先增大后减小,D/A摩尔比例为1:20的聚合物Spso-3产氢活性最好,可达22.4 mmol g-1h-1,几乎是D/A比为1:2的聚合物的3倍。荧光光谱和光电流测试的结果均表明聚合物Spso-3的光生载流子分离效率得到提高。此外,SEM结果表明聚合物Spso-3具有片状结构,与块体材料相比,片状结构不仅可以为反应提供更多的活性位点还能缩短光生电子到达材料表面的距离,有效抑制电子-空穴对的体相复合。这一结果表明改变推拉电子单元的比例,可以改变聚合物内部的推拉电子相互作用,进而影响载流子的分离与传输效率,是提高光催化产氢性能的有效策略。(2)由于上述聚合物的可见光吸收范围较窄,为了进一步改善共轭聚合物的可见光利用率,我们选择大平面、高共轭和富电子的芘作为供电子单元,二苯并噻吩砜为接受电子单元,调节给体单元和受体单元的摩尔比合成一系列不同推拉电子作用的共轭聚合物。实验结果表明,随着聚合物骨架中给电子单元比例的增加,聚合物的光吸收逐渐红移,结晶度逐渐降低,形貌具有显著的差异,光催化活性先增大后减小。当D/A的摩尔比为1:20时,聚合物Pyso-3具有最高的光催化产氢活性,可达23.3 mmol h-1 g-1,几乎是D/A摩尔比为1:2的聚合物的两倍,相比聚合物Spso-3产氢活性有所提高。聚合物的荧光寿命和光电流测试的结果表明聚合物Pyso-3具有较高的载流子分离效率。此外,SEM结果表明Pyso-3具有薄片结构,薄片结构不仅为反应提供更多的活性位点还促使光生电子快速迁移到聚合物的表面,抑制电子-空穴对的体相复合。这一结果表明将供电子单元改为芘,改变推拉电子单元的比例同样会影响聚合物的形貌和载流子分离与迁移效率,进而提高光催化产氢性能。
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