含砜基有机共轭聚合物的合成及其光催化分解水制氢性能研究

来源 :陕西师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xingzhewei1123
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氢能的发展对解决能源危机和环境污染问题起着至关重要的作用,利用太阳能光催化分解水是一种极具潜力的制氢技术。目前报道的绝大多数光催化剂是基于金属氧化物或硫化物的无机半导体材料,然而,这些光催化剂通常受到低的可见光活性、复杂的合成程序和稀有金属自然资源短缺等方面的限制。因此,从可持续发展的角度来看,亟待开发一类绿色可再生的非金属光催化剂材料。有机半导体具有易调控的能带和电子结构、构建模块丰富、合成方法多样及易功能化修饰等特点,是一类发展潜力巨大的新型有机光催化剂材料,近年来受到了广泛关注。目前有机半导体光催化剂材料主要存在可见光响应弱、电荷载流子的传输和分离效率低导致光催化活性低以及光催化稳定性差等问题。因此,开发具有可见光响应强、高活性及高稳定性的有机聚合物光催化体系,成为目前该领域的重要研究课题之一。一般而言,高效的有机聚合物光催化剂应具有较宽的可见光吸收特性、合适的能带结构和电子结构、高效的光生电子与空穴的传输及分离能力,而这些特性可通过合理的聚合物分子结构设计来加以有效调控。本硕士论文设计合成了具有电子给体和受体结构特征的系列线性有机共轭聚合物和三维交联的共轭微孔聚合物光催化剂,系统研究了聚合物的分子结构、能带结构及电子性能对光催化制氢性能的影响,研究内容主要包括以下三个方面:(1)基于电子给、受体的分子结构有助于光生电荷的传输与分离这一思想,设计合成了以噻吨酮为受体、苯或联苯为给体制备出系列有机线性共轭聚合物,研究了联结单元长度和电子结构对光催化性能的影响。进一步将受体噻吨酮分子结构中的硫原子氧化为砜基基团,研究了其光物理性质、共轭程度、电荷的传输与分离对光催化性能的影响。结果表明,将噻吨酮分子结构中的硫原子氧化成砜基基团,有助于提高受体结构的吸电子能力和增加电子在LUMO轨道的离域,制备聚合物的光催化性能和光量子产率得到了提高。其中制备的聚合物TXO-P在紫外-可见光照射下的光催化产氢速率可达3774 μmol h-1 g-1,在400 nm入射波长下,表观量子效率为2.5%。(2)将2,7-二取代芘或1,3,6,8-四取代的芘分别与噻吨酮-S,S-二氧化物和噻蒽-5,5’,10,10’-四氧化物,通过Suzuki反应制备了系列线性有机共轭聚合物和三维交联的共轭微孔聚合物,研究了电子给体芘构建单元的取代位置和受体的结构类型对聚合物光催化性的影响。结果表明,相比1,3,6,8-四取代的芘与受体之间的共扼骨架,2,7-二取代芘与受体之间的共轭骨架具有更高的共平面性,有效促进了电荷在D-A聚合物骨架的传输和光学吸收的红移。此外,噻蒽-5,5’,10,10’-四氧化物分子结构中的砜基单元相比噻吨酮-S,S-二氧化物中的羰基基团具有更强的吸电子能力,有助于电荷的快速分离,使得目标聚合物的光催化活性和光量子产率明显提高。其中具有最优D-A结构组合的聚合物PySEO-1,通过Pt修饰在全光谱下的光催化产氢速率高达9477 μmol h-1 g-1,在可见光下其具有优异的循环稳定性。(3)设计合成了以芘为给体、二苯并噻吩-S,S-二氧化物为受体的共轭微孔聚合物,研究了芘与二苯并噻吩-S,S-二氧化物的联结位置对制备聚合物的电子结构及光催化性能的影响。结果表明,二苯并噻吩-S,S-二氧化物以3,7-位与芘联结的聚合物PyDOBT-1的光催化活性大大高于以2,8-位与芘联结的聚合物PyDOBT-2。主要原因是3,7-位联结的聚合物延伸了聚合物的共轭链长度,并提高了聚合物主链的共面性,进而促进了电荷载流子的传输与分离,从而提高了其光催化活性。在可见光照射下(>400nm),无Pt修饰的PyDOBT-1的光催化产氢速率达到5697 μmol h-1 g-1,而通过Pt修饰的PyDOBT-1在紫外-可见光照射下(>300nm)的产氢速率高达12986 μmol h-1 g-1,远高于大多数有机聚合物光催化剂的产氢速率。
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