基于芘系共轭聚合物的合成及其光催化性能的研究

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自1972年藤岛昭教授在n型Ti O2电极上通过水的光电化学分解发现氢析出以来,利用太阳能驱动半导体光催化水分解产生氢的技术被认为是解决世界能源的最重要的方法之一。过去几十年里,基于金属氧化物、硫(氧)化物、氮(氧)化物等的无机半导体材料被人们的广泛的研究,但这些材料通常面临着较低的光催化性能和较高的制备成本。直到2009年,g-C3N4首次被应用到光催化水解产氢中,有机半导体基光催化材料逐步受到人们的关注。有机共轭聚合物(Conjugated Polymers—CPs)是近年来呈现出爆炸性发展趋势的一类新型有机半导体基光催化材料。众多研究表明,与其他半导体材料相比,CPs具备许多优势,例如分子带隙易于调控、共轭结构利于激子的迁移、多样化的制备方法以及可见光驱动等。这些优势为其理论研究(分子设计)与实际应用(扩大生产)提供极大的便利。围绕着探索共轭聚合物光催化活性的影响因素,本论文从分子设计的角度出发,合成了三类类芘系给体—受体(D-A)共轭聚合物,并对所制备的几类光催化剂进行了结构与性能的表征,主要内容包括以下三个部分:(1)为了研究受体单元吸电子能力的强弱与聚合物碳链构型(线性与交联)对聚合物材料光催化活性的影响,我们选用吸电子单元苯并噻二唑(BT)及其含氟衍生物(DFBT)与给电子单元2,7位取代及1,3,6,8位取代的芘进行Suzuki聚合,获得了4种稳定的共轭聚合物L-Py BT,L-Py DFBT,P-Py BT以及P-Py DFBT。实验结果表明,该系列聚合物均展现出了出色的光催化活性。在加入20 vol%三乙醇胺(Triethanolamine-TEOA)作为电子牺牲剂,3 wt%铂作为助催化剂,以及可见光照射(λ>420 nm)条件下,不含氟原子的线性共轭聚合物L-Py BT表现出最高的产氢性能,达到83.7μmol h-1(50 mg聚合物材料分散在100 ml的三乙醇胺水溶液中)。(2)基于上一个工作,我们认为线性共轭聚合物在光催化水解产氢领域仍有着极高的研究价值和成长空间。在此,我们同样使用Suzuki偶联法,分别制备了以1,6位取代以及2,7位取代的芘与S,S-二氧-二苯并噻吩为结构单元的同分异构体P16Py SO和P27Py SO。通过调控芘单元的官能团取代位点以研究线性聚合物主链的立体构型对其光催化活性的影响。在给定条件下,P16Py SO的产氢速率最高达到774μmol h-1,P27Py SO的产氢速率为282μmol h-1。通过实验分析证明,相较于P27Py SO,P16Py SO的构型使其分子堆积更紧密,光谱吸收更广,亲水性更好,激子迁移率更高。本文对于芘与S,S-二氧-二苯并噻吩交替共聚物光催化性能的研究为共轭聚合物光催化剂材料的分子设计提供了新的思路。(3)在上一个工作中,我粗略研究了金属Pt的载入量对芘系共轭聚合物光催化产氢性能的影响,实验结果表明,Pt的载入量对材料的光催化活性有着重大的影响,通过光沉积法载入适量的Pt作为助催化剂能大大提高材料的产氢性能,但过高的载入量会使得聚合物材料难以吸收足够的光能,因此,我们制备Pt配位的3,8-二溴-1,10-邻菲罗啉(DBP),并将其与2,7位取代的芘聚合得到两个聚合物材料27Py DBP,27Py Pt0.03DBP,以探究使助催化剂Pt以化学键的形式存在在聚合物分子内,是否也能达到光沉积法载入的效果。实验结果表明,在不加入助催化剂条件下,配位后的材料27Py Pt0.03DBP表现出更高的产氢性能(140μmol h-1)。而27Py DBP在加入3 wt%的Pt作为助催化剂的条件下,其产氢性能与未另外加入Pt的27Py Pt0.03DBP几乎一致,为152μmol h-1。该工作表明通过配位载入助催化剂也能达到光沉积法的效果,并且为提高助催化剂的载入量提供了新的思路。
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