東華大學(xué)廖耀祖教授課題組：綠色制備吡啶基共軛微孔聚合物用于光催化氫能制備

非金非土非木

2021年6月25日 11:59

科學(xué)數(shù)據(jù)證明，當(dāng)前嚴(yán)重威脅人類生存與發(fā)展的氣候變化主要是傳統(tǒng)化石燃料燃燒排放二氧化碳所致。應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵在于“控碳”，其必由之路是先實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，而后實(shí)現(xiàn)碳中和。發(fā)展基于多孔材料的碳捕集與轉(zhuǎn)化以及氫能源技術(shù)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的最有效途徑之一。其中，光催化析氫是最重要的氫能技術(shù)之一，其關(guān)鍵是開發(fā)高效、穩(wěn)定、可持續(xù)的光催化劑。共軛微孔聚合物作為新型多孔材料，具有結(jié)構(gòu)可靈活設(shè)計(jì)、孔道可自由調(diào)節(jié)、孔表面可豐富修飾以及光電性質(zhì)可調(diào)控等特點(diǎn)，逐漸在氫能制備領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。但是，目前大多數(shù)共軛微孔聚合物的合成都是通過昂貴的金屬催化劑催化偶聯(lián)來完成，反應(yīng)條件較復(fù)雜，成本較高，發(fā)展綠色、溫和的合成方法仍然存在挑戰(zhàn)。

基于上述背景，東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院廖耀祖教授課題組發(fā)展了經(jīng)典Chichibabin吡啶合成方法，提出采用簡單的醛酮縮合策略，建立了吡啶基共軛微孔聚合物（Pyridyl conjugated microporous polymers, PCMPs）非金屬制備反應(yīng)體系（圖1）。該合成方法不需要金屬參與，反應(yīng)條件溫和高效，可在幾分鐘內(nèi)完成反應(yīng)。通過調(diào)節(jié)縮合單體官能團(tuán)數(shù)、幾何形狀以及分子尺寸等，實(shí)現(xiàn)了PCMPs的比表面積、孔徑分布、光吸收以及帶隙結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控。

東華大學(xué)廖耀祖教授課題組：綠色制備吡啶基共軛微孔聚合物用于光催化氫能制備的圖1

圖1 Chichibabin反應(yīng)合成PCMPs示意圖

研究表明，PCMPs的比表面積高達(dá)523 m²/g，可以在紫外-可見吸收光譜下顯示出較寬的吸收范圍，表現(xiàn)了可調(diào)控的帶隙結(jié)構(gòu)（1.85~2.77 eV）（圖2）。光催化析氫性能測試結(jié)果表明（圖3），吡啶基共軛微孔聚合物在全光譜下平均析氫速率接近1200 μmol·g^-1·h^-1，優(yōu)于多數(shù)非金屬偶聯(lián)法制備的共軛高分子光催化析氫材料。這項(xiàng)工作還揭示了吡啶活性位點(diǎn)空間分布與連接方式對提升可見光催化產(chǎn)氫性能的重要性，對未來合理設(shè)計(jì)有機(jī)高分子光催化材料提供了一條綠色的途徑。

東華大學(xué)廖耀祖教授課題組：綠色制備吡啶基共軛微孔聚合物用于光催化氫能制備的圖2

圖2 （a,b）紫外-可見吸收光譜和（c,d）Tauc plot法計(jì)算得到的聚合物帶隙結(jié)構(gòu)

東華大學(xué)廖耀祖教授課題組：綠色制備吡啶基共軛微孔聚合物用于光催化氫能制備的圖3

圖3 吡啶基共軛微孔聚合物在全光譜下的析氫效率及對比圖

曾沁若碩士研究生是該論文的第一作者，廖耀祖教授為通訊作者，青年教師孟楠為共同作者。該項(xiàng)工作得到國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（52073046, 51873036和51673039）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)交叉學(xué)科重點(diǎn)項(xiàng)目（2232019A3-01）、上海市自然科學(xué)基金（19D3859）以及教育部長江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃青年項(xiàng)目（Q2019152）、上海市曙光人才計(jì)劃（19SG28）和上海市浦江人才計(jì)劃（20PJ1400600）等資助。

該工作即將于Chinese Journal of Polymer Science印刷出版，下方“閱讀原文”可免費(fèi)閱讀下載。

原文鏈接：

http://www.cjps.org./article/doi/10.1007/s10118-021-2574-3?pageType=en

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