功能性共价有机框架的可控构筑及其光催化氧化性能研究

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共价有机框架(Covalent organic frameworks,COFs),是一种由轻质元素组成,通过共价键连接的具有一定孔隙和结晶度的多孔有机聚合材料。由于密度低、孔道有序、结构可调节等特性,使其在气体存储与吸附、催化、能量储存与转化、传感器、光电器件等领域得到广泛应用。尤其在光催化领域,COF材料已经展现出令人瞩目的催化性质,主要由于COF材料超大共轭结构及独特的排列方式,在光照激发下,光生电子-空穴对有效分离,促使载流子在骨架内流动。尽管COF材料在光催化领域已经取得了阶段性成果,但弱的可见光吸收能力、电子-空穴对的快速复合、化学稳定性等因素仍然限制其进一步发展。基于此,本文设计合成了一系列光催化性能优异且稳定的可见光响应共价有机框架光催化剂,并探索其在光催化有机氧化反应中的催化性能及应用。第一部分,设计并合成了亚胺键连接的AB堆积纤维状的蒽醌基AQ-COF材料,与之前文献合成的AA堆积球状的AQ-COFDMF进行对比,发现其作为光催化剂在无金属可见光下催化硫醚的选择性氧化反应中,展现出更加优异的催化性能。系列光电性能测试证明,AQ-COF独特的形貌和结构能够明显提高光生电子-空穴对的分离效率,进而提高光催化性能。通过系列中间体捕获实验和光谱实验,提出了光催化AQ-COF生成超氧自由基与单线态氧活性物种协同氧化硫醚选择性氧化的催化机理。第二部分,以简单的三聚氯氰与噻吩为原料通过傅-克反应合成给体-受体型共轭有机聚合物(TTCOP)。为了改善其光催化性能,我们采用原位合成法,创新性地将氮化硼(BN)引入TTCOP框架网络内,合成了无金属的异质结光催化剂(BN@TTCOP)。通过系列光电性能测试发现,BN的加入能够有效调节TTCOP的可见光吸收范围以及带隙,带负电荷的BN可能通过静电相互作用从TTCOP表面吸引光生空穴,从而大大提高了光生载流子的分离和传递速率。将不同比例BN掺杂的BN@TTCOP光催化剂应用于可见光催化的硫醚选择性氧化反应中研究其催化性能,发现最优催化剂BN@TTCOP-2的催化效果近似为TTCOP的两倍。第三部分,构建了一个同时含有苯并噻二唑和三嗪基团的可见光响应的共价有机框架,其形态和结晶度可以通过简单的合成条件的变化进行调节。为了揭示光催化性能与结构和形貌之间的关系,通过单体的改变合成了类似的COFs。通过系列光电性能研究发现,电子结构和形貌会显著影响光电性能和光催化性能。研究发现,含苯并噻二唑和三嗪单元、排列有序、晶型较好的COF更有利于电荷转移和分离效率,在可见光下对胺类化合物的无金属光催化氧化偶联中表现出优越的光催化活性,并具有良好的可循环性。本研究结果揭示了COFs的结构和形貌之间存在着内在的协同效应,并通过系列表征给出了可能的反应机理。
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