新型共轭微孔聚合物的制备及其光催化水分解制氢研究

Photocatalytic water-splitting hydrogen evolution using solar energy is an effective way to solve the current energy and environmental issues. Semiconductor photocatalytic systems for efficient water splitting require strong light absorption capability, suitable band gap and energy levels, and rich interface reactive sites with water molecules. Conjugated microporous polymers (CMPs) feature the properties of both microporous polymers and organic semiconductor materials, such as low density, high stability, strong light absorption, high specific surface area and adjustable energy levels. In this proposal, polycondensation coupling reactions will be utilized to prepare CMPs with different structures. Specific surface area and pore size and pore size distribution of the resulting microporous polymers will be controlled through selective combination of various comonomers. Band gap and the valence and conduction band energy levels of the polymers will be optimized through the introduction of electron-donating or electron-withdrawing units into the monomer structures. Systematic studies will be conducted to gain insights of the influences of polymer structure, specific surface area, pore size distribution, light absorption intensity and energy levels of the CMPs on their photocatalytic water-splitting hydrogen evolution capability. Meanwhile, the mechanism beneath the CMPs photocatalytic hydeogen evolution will be discussed. To further improve photocatalytic activity, platinum or TiO2 nanoparticles will be loaded into the CMPs as cocatalysts and synergistic effect of CMPs and these cocatalysts will be studied. It is anticipated that this research can open up a new door to develop efficient water splitting hydrogen evolution photocatalysts, which possesses important academic significance and practical application value.

利用太阳能光催化水分解制氢是解决当前能源和环境问题的一条有效途径。高效的半导体光催化水分解体系需具有强的吸光能力，适宜的带宽和能级位置以及与水分子间丰富的界面反应位点等。共轭微孔聚合物兼具微孔聚合物和有机半导体材料的特点，具有轻质，高稳定性，强吸光，高比表面积和能级位置可调等性能。本项目拟采用偶联缩聚反应制备不同结构的共轭微孔聚合物；通过共聚单体的选择组合调控所得聚合物的比表面积和孔径尺寸及分布；通过在单体中引入推拉电子结构单元等优化聚合物带宽及价带和导带能级位置。系统研究聚合物结构、比表面积、孔径分布、吸光强度及能级等因素对其光催化水分解制氢能力的影响，探讨共轭微孔聚合物光催化制氢机制；使用多孔聚合物负载铂、二氧化钛纳米粒子等助催化剂期望进一步提高光催化效率，研究共轭微孔聚合物与助催化剂之间的协同作用机理。本研究将为开发高效水分解制氢光催化剂提供新思路，具有重要的学术意义和实际应用价值。

利用太阳能光催化水分解制氢是解决当前能源和环境问题的一条有效途径。高效的半导体光催化水分解体系需具有强的吸光能力，适宜的带宽和能级位置以及与水分子间丰富的界面反应位点等。共轭微孔聚合物（CMPs）兼具微孔聚合物和有机半导体材料的特点，具有轻质，高稳定性，强吸光，高比表面积和能级位置可调等性能，有望成为高效的水分解制氢光催化剂。本项目采用偶联缩聚反应制备了一系列新型共轭微孔聚合物材料，通过共聚单体的结构单元，骨架长度和官能度调控CMPs的多孔性能，通过共聚单体结构单元的改变调控所得CMPs的光物理性能和能级位置。系统研究了聚合物结构、比表面积、孔径分布、吸光强度及能级等因素对其光催化水分解制氢能力的影响，探讨共轭微孔聚合物光催化制氢机制。使用多孔聚合物负载铂、二氧化钛纳米粒子等助催化剂进一步提高其光催化能力，研究了CMPs与共催化剂之间的协同作用机理。研究表明聚合物分子设计合理，所有聚合物均被成功合成，聚合物的多孔性能和光物理性能随着其结构单元的不同而相应改变。对所得聚合物的光催化水分解性能进行了系统的研究，发现聚合物的吸光强度，吸光范围，带宽和能级位置等对其光催化水分解制氢效率有着直接的影响。同时研究了聚合物封端基团对其光学带宽和光催化性能的影响。现有聚合物的光催化水分解制氢能力最高可达1.26 mmol/g/h，此结果与现有文献中报道的共轭微孔聚合物的光催化制氢数据相当。采用水热法制备了一系列不同组分的共轭微孔聚合物与二氧化钛的复合光催化剂，研究了聚合物和二氧化钛种类以及混合比例对所得复合物光催化性能的影响，发现二氧化钛的加入可显著提高共轭微孔聚合物的光催化性能，且复合体系的光稳定性较单纯使用多孔聚合物有较大程度的提升。