面向太阳能吸收及转化的有机-无机杂化多孔网络的构筑及光物理光化学性质的研究

Photocatalysis materials that can absorb and convert solar light are the key for renewable energy production and pollutant elimination under the irradiation of solar energy, which provides a new way to solve energy crisis and environmental issues. The existing materials’ utilization efficiency for solar energy is limited by their narrow range of light-absorption and the post-treatment removal and collection of powder materials is also the task. To solve these problems, we break new ground in design and preparation of photocatalysis materials and draw lessons from the unique three-dimensional network structure of luffa sponge with specific mechanical performance, great adsorption performance and permeable channels. The present project intends to construct an organic-inorganic hybrid porous frame network in situ by combining copolymerization of bi-functional, tri-functional conjugated monomers with Ti-based inorganic semiconductor and template technology. The influence of structure and composition of monomers, methods of polymerization and conditions of templates on the chemical composition of networks and structure of channels will be intensively studied, as well as the networks’ solar light-absorption properties, the separation of photo-induced electrons and holes and the adsorption and conversion of target molecules, giving their photo-physical and photo-chemical properties. The mechanical performance and structure stability will also be investigated, hoping to build up a method for construction of organic-inorganic hybrid porous frame network with wide light-absorption range，high specific area，three-dimensional structure and certain mechanical intensity and develop novel efficient photocatalysis materials.

利用清洁的太阳能制取可再生能源/消除污染物，是解决能源短缺和环境污染问题的新途径，其中的关键是起太阳能吸收及转化作用的太阳能光催化材料。针对现有太阳能光催化材料光谱吸收范围窄导致对太阳光能量利用率低，粉体形态收集回用困难等问题，突破已有光催化材料结构设计和制备思路,借鉴农作物“丝瓜布”独特的集力学性能、吸附性能和通透的孔道于一体的三维网络结构，通过双/三官能团共轭单体/钛基无机半导体分子共聚，结合模板技术，原位构筑三维成型有机-无机杂化多孔网络结构。研究单体结构/组成、聚合方式、模板条件等对网络化学结构和孔结构的影响，研究所构筑网络对太阳光能量的吸收特性、光生电子-空穴分离特性和对底物的吸附及转化特性，揭示光物理、光化学性质，研究所构筑网络的物理机械性质和结构稳定性，建立构筑宽吸收光谱，高比表面积，三维成型并具备适合力学性能的有机-无机杂化多孔网络结构的方法，发展新型太阳能光催化材料。

针对现有太阳能光催化材料光谱吸收范围窄，粉体形态收集回用困难等问题，本项目突破已有光催化材料结构设计和制备局限, 提出了基于共轭分子的刚性结构和官能团数构筑有机共轭多孔网络结构、基于共轭聚合物和二氧化钛等无机半导体晶体构筑有机-无机杂化多孔网络结构和基于模板技术及其与共轭刚性分子致孔和聚合物交联相结合技术构筑三维成型有机-无机杂化多孔网络结构的思路。聚焦研究目标，深入研究了不同层次多孔网络结构的构筑方法及其实现途径，揭示出构筑方法和反应条件对多孔网络结构的影响规律；深入研究了所构筑多孔网络结构对光的吸收特性、光生电子-空穴传导分离特性和在可见光/紫外光/模拟太阳光辐照下对底物分解和转化的促进作用，揭示出不同层次多孔网络结构的光物理/光化学性质及光诱导催化作用机制；深入研究并揭示了所构筑材料的循环使用性能和经光照及机械力作用后的结构性能稳定性。有机共轭多孔网络结构受单体共轭程度和构型影响：单体共轭程度增大，有利于增大孔径、比表面积和孔容，拓展光谱吸收，三官能度单体立体度增大，有利于增大比表面积；多孔有机共轭网络的形貌影响材料性能：交联多孔的共轭网络结构比线性共轭结构具有更大的比表面积、更宽的光谱吸收和更有效的电荷分离，光诱导催化活性和结构稳定性均较高；立体交联网络结构较平面交联网络结构具有更大的比表面积和更宽的光谱吸收范围，但平面交联网络结构因晶型结构的形成有利于促进光生电子-空穴的分离，光电流响应强，光诱导催化活性高，结构稳定；有机-无机杂化多孔网络结构中，共轭分子与金属离子间的配位络合可有效增强界面结合，促进光生载流子传导分离，增强光诱导催化作用；三维成型有机-无机杂化多孔网络结构中，聚合物交联赋予材料力学强度，模板致孔和共轭刚性分子致孔赋予材料多级孔结构，提高比表面积，拓展材料光谱响应范围，通过三者结合，可构筑得到具有力学强度、易收集回用、有效促进底物转化的新型太阳能光诱导催化材料。