杂原子掺杂的共轭多孔有机聚合物的合成及其光催化应用

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共轭多孔聚合物是一类在纳米范围内具有高比表面积和高孔隙率的全共轭聚合物。一方面其大的电子离域体系可扩展可见光吸收范围和促进载流子的传输,另一方面丰富的孔结构可以增加光催化活性的氧化还原位点,因此其被广泛应用于光催化等领域。迄今为止,为了提高光催化剂的催化效率,人们在化学掺杂、能带调控、表面改性、形貌控制等方面做了大量的工作,然而通过有效的分子结构设计探索光催化性能的影响因素仍然是该领域发展的难点。本文分别通过两个部分展开了杂原子掺杂的共轭多孔聚合物的光催化性能的研究:(1)共轭微孔聚合物(CMPs)作为共轭多孔聚合物的一种,结合了其孔结构和共轭有机结构网络的特征。除此之外,CMPs是一类合成的聚合物材料,不同的构建单元和连接基团以及各种杂原子掺杂都可以被利用到材料合成中。然而过渡金属或贵金属催化剂在CMPs材料合成中的残留,以及通过控制形貌提升催化性能的挑战仍有待解决。本文通过设计一系列不同对称性结构且含有不同苯环数目的醛基单体,利用无金属催化剂添加的缩聚反应直接制备出具有层状结构的CMPs。首先,通过红外光谱及固态核磁确定了其结构,再利用氮气吸附-脱附等温线、原子力显微镜和扫描电子显微镜等表征了其孔道和层状结构,并利用可见光下有机染料的降解探索了其光催化活性以及通过添加不同牺牲剂分析了降解过程的机理。最后利用杂原子掺杂以及层状结构的控制实验进一步探索了光催化活性的影响因素。(2)共价三嗪骨架(CTFs)作为共轭多孔聚合物的另一分支,具有含氮量高,结构稳定的特点。虽然目前CTFs材料在光催化分解水产氢领域内已取得较大的进展,然而分解水产氧仍然比产氢更具有挑战性。本文通过吡啶环的引入和单体分子结构的形状设计,在温和的反应条件下制备了不同孔结构特点和能带结构的CTFs材料。由于单体不同的含氮量和结构特征,实现了调控CTFs吸光性能和能带结构的目的。本文最后将CTFs分别负载金属Pt和Ru,实现了在可见光区下分解水产氢和分解水产氧,结果表明CTFs不同能带位置和吸光性能对光催化分解水发挥着重要作用。
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