基于共价锚定分子催化剂策略的碳量子点/氮化碳载体构筑及其光催化还原二氧化碳研究

Photocatalytic CO2 reduction to liquid fuel formic acid has attracted great interest in the field of renewable energy storage. This project intends to prepare a new type of photocatalyst by combining a unique molecular catalyst and a semiconductor via the firm covalent anchoring, thus improving the performance of photocatalytic system through "synergy effect" of the molecular catalyst and carrier. The introduction of carbon quantum dots in semiconductor carbon nitride can not only effectively control the energy band of carbon nitride, enhance the utilization of visible light, increase the electron transfer rate, prolong the lifetime of photogenerated carriers, but also provide effective grafting sites for covalently anchoring the molecular catalysts. Moreover, the key idea is to use the diazonium coupling reaction to anchor the molecular catalyst on the carbon quantum dots through strong covalent bonds, thus providing the composite photocatalyst with a precise catalytic center for high selectivity, then offering a theoretical basis for the green and sustainable synthesis of formic acid in the aqueous system by photocatalytic CO2 reduction under visible light.

光催化还原CO2为液态燃料甲酸，在可再生能源存储领域具有重要的研究价值。本项目拟将特定光催化还原CO2为甲酸的分子催化剂与半导体载体以牢固共价键结合形式构筑新型光催化剂，通过分子催化剂与载体间的“协同效应”来提高光催化还原性能。在半导体氮化碳中引入碳量子点，不仅能实现对氮化碳能带结构的有效调控，增强可见光利用率，提高电子转移速率，延长光生载流子寿命，还能为共价键锚定的分子催化剂提供有效的嫁接点。另外，利用重氮偶联反应把分子催化剂牢固共价锚定到碳量子点上是我们在分子催化剂复合半导体光催化材料制备方法上的一种新探索，进而实现具有精准催化中心、强吸光性、高选择性以及高稳定性的复合型光催化剂，为水相体系可见光催化还原CO2制备甲酸的绿色、可持续合成路线提供理论依据。

能源和碳资源的短缺，以及大气中二氧化碳浓度的增加，使得能源安全和气候稳定成为现在人们日益关注的问题。在众多的CO2转化策略中，通过高效的新型光催化系统选择性的将CO2还原为安全、方便运输的HCOOH液态燃料具有广阔的应用前景和价值，此策略不仅可以为碳达峰碳中和做出极具潜力的贡献，同时又能创造可再生能源燃料和化学原料，其在能源存储与转化领域具有重要的科学研究价值。传统半导体材料的结构相对简单，合成方法有限，对其物理化学性质造成了一些固有的限制。共价三嗪骨架（CTFs）具有独特的孔隙率和较高的氮含量，可以通过选择合适的有机连接剂和合成条件得到。CTFs的高热化学稳定性、固有的三嗪含量和可调的官能团可以被用来制造高效的光催化剂。本项目通过选择合适的有机连接剂和合成条件，对分子结构、结晶性和界面性质进行调节，制备一系列共价三嗪有机骨架为基底的材料，用于光催化还原CO2以及产氢的性能研究，实现碳中性循环过程。在众多的CO2转化策略中，通过高效的新型光催化系统选择性的将CO2还原为安全、方便运输的HCOOH液态燃料具有广阔的应用前景和价值，此策略不仅可以降低CO2气体过度排放造成的温室效应的影响，同时又能创造可再生能源燃料和化学原料，其在能源存储与转化领域具有重要的科学研究价值。我们的研究结果从分子水平上为合理设计和合成用于光催化二氧化碳转化的π共轭CTF基半导体聚合物提供了重要的见解。