催化学报

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具有定向电荷传递能力的晶态线型聚酰亚胺材料驱动光催化CO2还原

李慧珍a, 陈艳蕾a, 牛青a, 王小凤a, 刘哲源a, 毕进红b, 于岩a,*, 李留义a,*   

  1. a福州大学材料科学与工程学院, 生态材料先进技术重点实验室, 福建福州 350108;
    b福州大学环境与安全工程学院, 福建福州 350108
  • 收稿日期:2023-02-28 接受日期:2023-02-28
  • 通讯作者: *电子邮件: lyli@fzu.edu.cn (李留义), yuyan@fzu.edu.cn (于岩).
  • 基金资助:
    国家重点研发计划(2020YFA0710303); 国家自然科学基金(52172188, 22272028, U1905215, 52072076).

The crystalline linear polyimide with oriented photogenerated electron delivery powering CO2 reduction

Huizhen Lia, Yanlei Chena, Qing Niua, Xiaofeng Wanga, Zheyuan Liua, Jinhong Bib, Yan Yua,*, Liuyi Lia,*   

  1. aKey Laboratory of Eco-materials Advanced Technology, College of Materials Science and Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, Fujian, China;
    bDepartment of Environmental Science and Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, Fujian, China
  • Received:2023-02-28 Accepted:2023-02-28
  • Contact: *E-mail: lyli@fzu.edu.cn (L. Li), yuyan@fzu.edu.cn (Y. Yu).
  • Supported by:
    National Key Research and Development Program of China (2020YFA0710303) and the National Natural Science Foundation of China (52172188, 22272028, U1905215, 52072076).

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摘要： 利用太阳能和半导体催化材料将CO2还原为具有高附加值的含碳化学品为解决能源危机等问题提供了一个有前景的解决方案. 目前半导体光催化CO2还原的效率仍然很低, 这主要是光激发的载流子复合严重等问题导致的. 探索有效策略来增强半导体光催化材料光生电荷分离和传输性能被认为是提高CO2还原效率的关键之一. 设计制备具有定向电荷传输性能的光催化材料将有助于抑制光生电荷复合, 从而实现高效光催化性能. 线型共轭有机聚合物具有直链状结构、明晰和多样的元素组成、良好的水热稳定性等优点在光催化领域受到持续的关注和研究.
本文通过均苯四甲酸二酐和二胺单体的缩合反应制备三例晶态线型共轭聚酰亚胺材料用于光催化CO2还原. 利用粉末X射线衍射、傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、紫外可见吸收光谱和气体吸附测试等等对合成的聚酰亚胺的晶态结构、光吸收性质、形貌结构、孔结构等进行了表征. 利用光电化学、电子顺磁共振波普分析、电位分析和密度泛函理论等研究了构筑单元的电子推拉效应对聚合物电荷分离及催化性能的影响. 结果表明, 三种结晶型聚酰亚胺均对CO2具有良好的吸附能力且满足光催化CO2还原电势的能带结构要求. 光生载流子的复合程度随着重复结构单元偶极距的增强而降低, 其中基于苯并噻吩砜的晶态线型聚酰亚胺(CLP-CS)具有最优的载流子分离能力. 在光催化CO2还原反应中, CLP-CS表现出高达1700 µmol h‒1 gcat‒1的CO析出效率和90%的选择性. CLP-CS在高低温和紫外灯照射等极端条件下, 仍保持良好的结构稳定性和催化活性. 结果显示, 聚合物的CO2还原活性与重复结构单元的偶极距及方向密切有关. 局部结构的不对称性, 扩大了分子偶极, 增强了材料的内建电场驱动力. 此外, 长程有序的线型结构为光生电荷传输提供了快速迁移通道, 促进了载流子迁移. 综上, 本文报道了基于晶态线型聚合物的光催化体系, 为实现光生电荷定向传输和高效光催化材料的开发提供了途径.

关键词: 光催化, 结晶聚合物, 聚酰亚胺, 二氧化碳还原, 电子定向转移

Abstract: Orienting electron transport to suppress charge recombination is attractive for efficient photocatalysis but remains challenging. Herein, we demonstrate the synthesis of crystalline linear conjugated polyimides via the condensation of carboxylic anhydrides and amine monomers for the photocatalytic reduction of CO2. Oriented electron transport was achieved using crystalline polyimides integrated with electronic push-pull units. Directional intramolecular electron transfer is driven by the dipole effects of the adjacent building units. The sulfone-based polyimide exhibited excellent photocatalytic performance for CO2 reduction. Our work provides a new example photoreduction of CO2 and a strategy for developing efficient photocatalysts with oriented electron transport.

Key words: Photocatalysis, Crystalline polymer, Polyimides, CO2 reduction, Electron transport