Small:基于亚胺基的二维共价有机聚合物用于光催化二氧化碳还原

由于化石燃料的过度消耗,二氧化碳的过量排放已经造成了严重的环境问题,例如全球变暖和气候变化等。为了解决这个问题,科学工作者已经开始模拟光合作用,以H2O为电子供体,将CO2光还原为有价值的化学物质。这种人工的类光合作用方法被认为是解决这些问题的最有前途的技术之一。然而,如何将CO2还原反应(CO2RR)和H2O氧化半反应有效地集成在一个催化体系中,是一项艰巨的任务。其中,最重要的因素便是光催化剂的研究。在研究初始阶段,人们利用TiO2、CdS、ZnGa2O4、和Zn2GeO4等无机半导体实现了这种人工光合作用。但是,这些无机材料通常存在光催化效率低、选择性差、可见光采集有限等问题,因此需要持续的探索新的光催化体系。

近年来,包括共价有机骨架(COFs)和共价微孔聚合物(CMPs)的有机多孔材料被认为是一种有应用潜力的光催化剂。这类材料具有结构可控性好、CO2吸附能力强、结构稳定性好、光谱响应范围宽等优势。然而,大多数有机聚合物光催化体系目前仍需要牺牲试剂(如三乙醇胺、三乙胺、三异丙醇胺等)作为电子供体。开发以H2O为电子供体的新型高性能有机聚合物基光催化剂仍是一个亟待解决的问题。

近日,北京科技大学姜建壮教授课题组通过四氨基酞菁钴(II) (CoTAPc)和3,4,9,10-苝四羧基二酐(PTCDA)的聚酰亚胺化反应,制备了一种基于亚胺基的二维共价有机聚合物CoPcPDA-CMP。这种聚合物CoPcPDA-CMP集成了酞菁钴(CoPc)和3,4,9,10-苝四羧基二亚胺(PDI)两种具有优异可见光捕获能力的发色团,实现了较宽的光谱响应。另外,由于CoPc具有较高的LUMO能级,足以驱动光激发电子还原CO2,而PDI及其衍生物具有较低的LUMO能级足以了H2O的光催化氧化。通过亚胺环整合CoPc和PDI基团,可以构建z型人工光合作用系统来完成整个CO2还原反应。研究发现,这种新型纳米片具有较好的光催化二氧化碳还原能力,CO的的生成速率为14.27 µmol g−1 h−1,选择性高达92%。实验和理论计算结果证明,在CoPcPDA-CMP NSs光催化体系中,CoPc和PDI基团分别具有能够实现CO2还原半反应和H2O氧化半反应的相匹配的能级结构。此外,结合CoPcPDA-CMP纳米材料优异的光吸收能力、良好的电荷分离效率和导电性,实现了其对CO2转化具有优异的光催化活性。这一工作将有助于进一步设计和制备具有较高活性的CO2转化有机光催化剂。

论文信息:

Covalent Microporous Polymer Nanosheets for Efficient Photocatalytic CO2 Conversion with H2O

Qianjun Zhi, Jun Zhou, Wenbo Liu, Lei Gong, Wenping Liu, Heyuan Liu*, Kang Wang*, Jianzhuang Jiang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202201314

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202201314