Advanced Functional Materials: 壳层厚度和形貌可调控的中空共价三嗪框架

中空球结构具有非常类似于自然界中进行光合作用的类囊体结构,其独特的结构使得一系列物理化学反应通过电荷的分离和传输在类囊体膜的两侧进行,从而可以有效地将太阳能转化为化学能。最近几年,关于模拟类囊体结构的空心微球和纳米球的研究引起了研究者们的关注,主要是由于其独特的物理化学性质和潜在的应用,例如在气体传感、能量存储、催化和药物负载等方面。特别是在光催化应用领域,具有较薄且多孔的壳层的中空结构的材料不仅有利于客体分子的传递,而且还有利于光生电子和空穴的分离和快速传输到表面。但是关于模板法制备中空球结构的研究大多集中在无机材料,关于有机聚合物中空球的研究相对较少,可能是由于有机聚合物具有一定的柔性,模板去除之后,有机聚合物中空球易塌陷,形貌不好控制。

共价三嗪框架是一种带有三嗪环的富氮型多孔材料,其具有孔径易调节,合适的能带结构,高的热稳定和好的化学稳定性等特点,这些特点使其在气体的分离和储存、能量储存、光催化和异相催化等应用领域都有独特的优势。因其具有合适的光解水带隙,其在光催化领域的应用一直是研究的热点;但是对于其形貌研究较少,可能是由于目前的传统合成方法较为苛刻,如高温或强酸等条件。鉴于形貌对于光催化应用的重要性,因此有必要进一步发展新型的形貌制备方法。

华中科技大学化学与化工学院金尚彬等针对这一问题,通过将硬模板法和温和的缩聚反应法的结合发展了具有可调控壳层厚度和形貌的中空共价三嗪框架的制备方法。通过将单体分两步长在模板种子上即先生成预聚种子,最后生成目标的核-壳结构,然后再进行刻蚀,这样的方法可以使得到的壳层结构更稳定。刻蚀之后,如果壳层厚度合适,可以得到完整且分散的球。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201904781)上。

将共价三嗪框架与中空球形貌相结合,多孔共价三嗪框架作为壳层结构有利于水分子的传递,中空球内腔可以通过光的反射提高光的利用率,进而促进更多光生载流子的生成,合适的壳层厚度更加有利于光生载流子的分离,这些特点可以将其光催化产氢性能最优化。而且共价三嗪框架的形貌随着壳层厚度的变化有明显的变化,其中中空球形貌对光催化产氢性能的影响最大。该工作为制备中空球共价三嗪框架的形貌提供了一种新方法,从而有可能进一步扩展共价三嗪框架在其他领域的应用,如吸附分离和药物负载等方面。