可溶液加工的共轭聚吡咙的设计合成及光催化性能研究

With the steady growth of energy demand, the decrease of fossil energy and the environmental pollution problem caused by fossil energy, it has great significance to solve the energy problem by developing the solar energy. Light-driven water splitting to produce renewable hydrogen fuel has been considered as an attractive technology to address energy issues. Among various strategies to convert solar energy into chemical energy, employing photoelectrochemical (PEC) cells is believed to be one of the most promising approaches because these inexpensive and simple devices require only semiconductor-based photoelectrodes, water, and sunlight. As the counterpart of inorganic semiconductors, organic conjugated materials have been rarely employed as photoelectrodes in metal-free PEC cells. In this project, we firstly focus on the semiconductor-based photoelectrodes which are the heart of PEC. They should possess strong absorption ability in the visible region, efficient charge separation and transport capability, excellent stability against corrosion, and suitable reduction and oxidation potentials for water splitting. Then, the thermodynamic requirements of photocatalytic materials can be solved. Secondly, the breath figure (BF) technique is used as a powerful tool for the fabrication of strictly ordered and closely packed nano- and micro-porous films. Subsequently, the specific surface area of organic photocatalytic materials can be improved. Finally, the carrier migration speed and the carrier migration distance are further improved by the heterojunction structure device. Ultimately, the hydrogen producing device with high hydrogen production rate and large hydrogen production will be realized.

以有机共轭材料作为光催化电极材料，利用太阳光将水分解成可实用的氢能，实现产氢速度快，产氢总量大的光催化电极的制备为研究目标，首先采用化学剪切和修饰的方法制备可溶液加工的共轭聚合物，以满足光催化剂对导带和价带的电位要求和光催化剂对带隙的要求（1.6-2.2eV），从而解决光催化材料的热力学要求；其次利用呼吸图法和静电纺丝技术大面积制备二维有序多孔结构的膜，进一步提高有机光催化材料的比表面积，最后通过异质结构器件进一步提高载流子的迁移速度和降低载流子迁移距离，从而满足光催化材料的动力学要求。系统研究上述光催化电极的光催化性能，探究其可能的催化机理；通过机理研究，找出结构、形貌和光催化性能的规律及优化条件，为实现产氢速度快，产氢总量大的光催化电极的制备提供一种理论可行的新方法。在此基础上，尝试制备大面积的光催化电极为光催化电极实际应用提供新理论、新方法。

近年来，结构化液体在光催化、复杂流体器件、电化学储能、微反应器、清洁能源等领域都具有广阔的应用前景，受到了越来越多的关注。与传统意义的固体或液体材料不同，结构化液体兼具固体的结构稳定性和液体的流动性，是一种处于热力学非平衡态的软物质材料。目前用于制备结构化液体的材料限于纳米粒子，限制了该领域的进一步发展。因此，开发出可用于结构化液体制备的纳米新材料势在必行。本项目以有机小分子为构筑模块，制备了超分子聚合物表面活性剂，可以用于稳定水滴在油相中的形状，为结构化液体在光催化方面的应用提供了可行性策略。具体工作如下: （1）证明了小分子可以通过分子间相互作用力来构造结构化液体。研究了分子间作用力对界面组装和液体的稳定性的影响，通过将油相从良溶剂更改为真溶剂，证明了配体在油相中溶解度对界面活性的影响，提供了一种微调界面结合能的简单方法。进一步研究了5,10,15,20-四（4-磺基苯基）卟啉（H6TPPS）的界面组装与聚合物官能化的数量和碱度的关系，以了解聚集态与结构液体之间的关系，研究了四种界面活性增加的功能化疏水聚合物结构，包括末端功能化和多功能均聚物以及三嵌段共聚物，以了解聚合物的碱度，亲水性和疏水性在诱导H4TPPS2-聚集态转化中的作用，并在水/油界面处构造可着色液体。为了更好地利用全液体3D架构，H6TPPS随时间的界面组装和转变为观察全液体打印过程中纳米颗粒表面活性剂的界面行为提供了机会。（2）展示了水/油界面上纳米粒子表面活性剂的形成，组装和动力学的实时荧光成像。随着聚集诱导荧光在界面上经历类液体到类固体的过程，荧光强度随着在界面上纳米粒子表面活性剂组装数量的增加而达到最大值。（3）利用聚（苯乙烯-嵌段-4-乙烯基吡啶）和5,10,15,20-四（4-羟苯基）-21 H，23 H-卟啉之间的氢键作用，一步法制备具有大面积垂直于表面的圆柱形微区的导电薄膜，根据电流对电压的依赖性，发现约4.0 nA的平均电流通过单个微区，这为大面积制备有机导电薄膜提供了一条简单的方法。