具有强内建电场的苝酰亚胺聚合物光催化剂超高效分解水产氧学术资讯

来源：X一MOL资讯

近年来，研究者开发出多种新型光催化材料用于光催化分解水，以期实现光能的资源化、清洁化利用。光催化分解水包含还原水产氢和氧化水产氧两个半反应，大多需要Pt、Ru等贵金属助催化剂参与来活化水分子降低过电势。当前，大部分光催化材料可利用光催化剂的光生电子，实现还原产氢过程。但是。要实现光催化全解水，对于光催化水氧化的研究必不可少。同时，光催化水氧化通常为四个电子参与的过程，反应速率较慢，是制约光催化全解水的重要因素。因此，探索开发无需贵金属助催化剂辅助的高效产氧光催化剂成为了解决上述问题的重要突破口。此外，对光催化氧化半反应的充分理解和阐述也可为今后开发更高效的全解水光催化剂提供参考和帮助。
基于上述考虑，清华大学朱永法教授课题组分别用尿素、联胺、乙二胺等小分子，成功构筑了一系列基于苝酰亚胺的新型聚合物光催化剂。XRD谱图和DFT计算证明，尿素-苝酰亚胺（Urea-PDI）聚合物具有最佳的结晶性和最大的分子偶极矩，赋予了聚合物光催化剂强内建电场。Urea-PDI具有纳米带状形貌，其H型的π-π堆积相互作用可通过高分辨TEM中0.32 nm的晶格条纹和XRD中27.2°的衍射峰得到很好证明，这种共面型的电子云重叠也将分子能级（HOMO和LUMO）构筑为半导体能带（VB和CB），为光生电子的转移提供了传输通道。

图1. Urea-PDI的形貌与结构表征
在光催化产氧性能方面，Urea-PDI的光谱响应范围可覆盖整个可见光谱范围，在无贵金属助催化剂的情况下表现出超高效的产氧性能，450 nm处的量子效率为3.86%，可见光下产氧速率高达3223.9 μmol g-1 h-1，比传统PDI超分子光催化剂产氧性能高出上百倍。其优异的产氧性能主要来源于两方面，首先是由共轭分子造成的深价带电位（+1.52 eV）和合适的能带结构，保证了光催化产氧的热力学可行性；其次是高结晶性和大的分子偶极带来的强内建电场，促进了光生电子和空穴的有效分离和传输，提供了光催化产氧的动力学可行性。除了产氧性能优异外，其结构和催化性能稳定，即使经过超过100 h的光照辐射仍保持其优异的产氧性能，没有明显的性能衰退现象，解决了PDI超分子光催化剂连续长时间使用的问题。

图2. Urea-PDI的光催化产氧性能
综上，这种优异的产氧聚合物光催化剂Urea-PDI可为光催化水氧化过程的理解及新型聚合物光催化剂的开发提供一种思路和借鉴。
这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是清华大学博士研究生张子健。

来源：X-molNews X一MOL资讯

原文链接：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwOTExNzg4Nw==&mid=2657647498&idx=5&sn=428104c9798726c53993ec9e02476dd1&chksm=80f8525ab78fdb4c82d6da4c5a0da69a19608dcb16c26390ac644035f220e002a71cb478f65d&scene=27#wechat_redirect

电话：（010）86409582

邮箱：kejie@scimall.org.cn