Advanced Sustainable Systems:共价三嗪聚合物空心球的电子结构调控实现高效光催化制备双氧水

双氧水(H2O2)是一种绿色、高效氧化剂,被广泛应用于化学合成、造纸、医药等生产、生活的多个领域。随着新冠疫情在世界范围内的持续蔓延,全球市场对于H2O2的需求也大幅增加。目前,H2O2的生产主要依赖传统的蒽醌氧化法。该方法存在高能耗、高成本和高排放等不足,因此,探索新的合成方法,实现在绿色、温和条件下H2O2的制备成为目前研究热点之一。其中,基于半导体材料的光催化H2O2合成策略受到研究者越来越多的关注。该方法以清洁和丰富的太阳能为驱动力,通过激发半导体材料产生光生电子并引发氧气分子的二电子还原实现H2O2的合成。目前,以TiO2为代表的无机半导体材料已经被广泛研究应用于光催化H2O2合成,然而由于其较窄的光谱吸收范围和表面过渡金属对H2O2的催化降解,它们通常具有较低的光催化效率。近年来,有机聚合物半导体材料由于其方便可调的分子结构和光电性能以及无金属的化学组成,在光催化H2O2合成中展现出较好的应用前景。但是,由于其有机骨架中光生电荷的快速复合,它们的光催化H2O2生成效率仍然不理想,无法满足实际应用需求。

近日,苏州大学功能纳米与软物质研究院李彦光课题组报道了一种CTF空心球用于光催化H2O2合成,并利用共聚单体掺杂策略,将强吸电子基团苯并噻二唑(BT)引入到聚合物骨架中,对材料的电子结构进行优化调控,有效促进材料中光生载流子的分离,从而极大提高其光催化活性。研究结果表明,当BT加入量为5 mol%时,催化剂展现出最高的H2O2生成速率,达到1630 µmol g−1 h−1。该活性是未掺杂样品的3倍,并且远高于绝大多数已报道的其它光催化剂性能。借助一系列光谱表征技术,作者发现当引入BT基团后,材料的吸收光谱变宽,荧光强度减弱,同时荧光寿命明显延长。这表明BT的引入不仅显著增强了聚合物结构中电子的离域,同时由于BT强的吸电子效应,材料中光生电荷的复合也得到有效抑制。此外,样品的中空形貌对材料光催化活性也有着积极的贡献。一方面,这种空心球结构具有更高的比表面积,有利于暴露更多的催化位点;另一方面,中空结构能够有效促进光在空腔内的多次反射,促进光的吸收。因此,BT掺杂和中空形貌两种因素共同作用实现了材料优异的光催化性能。另外,该催化剂在连续4个循环测试后(累积光照8小时),其催化活性、形貌和化学结构均未见明显变化;表明该材料具有良好的光催化稳定性。该研究证明了CTFs在光催化H2O2合成方面的巨大潜力,同时为进一步优化聚合物半导体材料的光电特性、提升其光催化活性提供了新的思路。

论文信息

Electronic Tuning of Covalent Triazine Framework Nanoshells for Highly Efficient Photocatalytic H2O2 Production

Xiaohan Yu, Bounxome Viengkeo, Qing He, Xuan Zhao, Qiliang Huang, Pingping Li, Wei Huang*, Yanguang Li*

Advanced Sustainable Systems

DOI: 10.1002/adsu.202100184

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsu.202100184