利用太陽(yáng)能進(jìn)行光催化分解水是一種從可再生能源中產(chǎn)生可儲(chǔ)存燃料,而不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響的策略。近年來(lái),研究人員對(duì)可通過(guò)交叉偶聯(lián)或縮合反應(yīng)合成的其它共軛有機(jī)材料(共軛微孔聚合物(CMPs)、線性共軛聚合物等)進(jìn)行了廣泛研究。但是,最終是需要開(kāi)發(fā)不依賴(lài)犧牲清除劑的系統(tǒng)。近日,福州大學(xué)的王心晨教授、英國(guó)利物浦大學(xué)的Andrew I. Cooper和Reiner Sebastian Sprick以及英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的Martijn A. Zwijnenburg(共同通訊作者)等人聯(lián)合報(bào)道他們研究了一系列負(fù)載鈷(Co)的線性共軛聚合物光催化劑分解水產(chǎn)生氧氣的過(guò)程(圖1)。首次報(bào)道了利用線性共軛聚合物可以光催化分解水反應(yīng)。該工作以題目為“Water oxidation with cobalt-loaded linear conjugated polymer photocatalysts”發(fā)表在國(guó)際著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上,并被Nature Reviews Materials作為亮點(diǎn)點(diǎn)評(píng)。

《自然·綜述:材料》評(píng)論:未來(lái)可期!基于有機(jī)聚合物實(shí)現(xiàn)光催化分解水

作者研究了十種聚合物,除P1和P17外,其它所有聚合物均通過(guò)前期的泛函密度理論(DFT)計(jì)算預(yù)測(cè)為具有水氧化所需的驅(qū)動(dòng)力。除P17外,所有聚合物均使用Pd(0)催化的二溴芳烴與二硼酸/酸酯酯芳烴的Suzuki-Miyaura縮聚反應(yīng)制備,而P17使用二苯三醇和二溴噻吩的Stille偶聯(lián)制備。在催化實(shí)驗(yàn)之前,通過(guò)光沉積Co的方式將這些聚合物負(fù)載在一種輔助催化劑上。此外,作者還利用瞬態(tài)吸收光譜法研究了性能最佳的系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)在存在電子清除劑下,激子發(fā)生了快速的氧化猝滅(皮秒),從而最大程度地減少了重組。

《自然·綜述:材料》評(píng)論:未來(lái)可期!基于有機(jī)聚合物實(shí)現(xiàn)光催化分解水
圖1、用于水氧化的10種線性聚合物光催化劑的結(jié)構(gòu)

 

事實(shí)上,為了實(shí)現(xiàn)高的能量轉(zhuǎn)換效率,用于分解水的光催化劑必須在太陽(yáng)光下有效運(yùn)行,其中很大一部分是可見(jiàn)光區(qū)域。然而,傳統(tǒng)上用于分解水的光催化劑是基于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的,因此調(diào)整這些材料的性能面臨巨大挑戰(zhàn)。對(duì)于該研究成果,主要研究人員之一的Andrew Cooper曾說(shuō)道:“有機(jī)聚合物光催化劑的可能優(yōu)勢(shì)包括其光吸收性能的可調(diào)性和其溶液的可加工性,使生產(chǎn)大面積器件成為可能?!?/strong>

《自然·綜述:材料》評(píng)論:未來(lái)可期!基于有機(jī)聚合物實(shí)現(xiàn)光催化分解水
圖2、比較不同線性共軛聚合物的性能

 

首先,該團(tuán)隊(duì)合成了10種線性共軛聚合物,在理論上預(yù)測(cè)它們具有水氧化的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力。然后,再將Co基助催化劑負(fù)載到每種聚合物上。

在寬頻帶輻射、存在AgNO3作為電子清除劑的情況下,8種負(fù)載Co的聚合物表現(xiàn)出一定的光活性,氧氣的釋放速率跨度為0.2-16.6 μmol h-1。其中,表現(xiàn)最好的材料是P10,具有最深的電離勢(shì),因此具有最大的水氧化驅(qū)動(dòng)力。此外,該團(tuán)隊(duì)還通過(guò)使用光遮蔽度測(cè)量來(lái)比較聚合物的水分散性,從而進(jìn)一步了解聚合物的相對(duì)性能。

在所有聚合物中,P10的懸浮液最不透明且具有最低的透射率,表明它在水中形成最穩(wěn)定的分散體。這一點(diǎn)是非常重要的,因?yàn)楫a(chǎn)生氧氣反應(yīng)是非均相的,并且發(fā)生在催化劑-水界面處。

《自然·綜述:材料》評(píng)論:未來(lái)可期!基于有機(jī)聚合物實(shí)現(xiàn)光催化分解水

圖3、線性共軛聚合物P10的性能

在可見(jiàn)光照射下,P10的氧氣釋放速率降低至5.2 μmol?h-1

在相同條件下,雖然該值比無(wú)機(jī)光催化劑的基準(zhǔn)值低很多,但是比負(fù)載Co的三嗪基光催化劑高得多。該研究成果表明開(kāi)發(fā)有機(jī)水氧化催化劑和有機(jī)質(zhì)子還原催化劑等進(jìn)行分解水是發(fā)展全有機(jī)體系的重要一步。然而,目前提高有機(jī)聚合物光催化劑的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和催化性能,以達(dá)到無(wú)機(jī)材料的水平仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。

對(duì)此,Andrew I. Cooper及其同事認(rèn)為:“雖然門(mén)檻很高,但是他們計(jì)劃使用自主機(jī)器人來(lái)定位復(fù)雜的、多組分的全有機(jī)或有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化系統(tǒng)?!笨傊?,相信未來(lái)有機(jī)聚合物光催化劑將滿(mǎn)足實(shí)際要求,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的光催化分解水,助力解決能源危機(jī)和環(huán)境污染!

 

全文鏈接:

1、https://doi.org/10.1038/s41578-020-0228-7

2、https://doi.org/10.1002/anie.202008000

相關(guān)新聞

微信
微信
電話 QQ
返回頂部