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【催化】南京理工大學(xué)鐘秦教授課題組:關(guān)于晶態(tài)-非晶態(tài)有機聚合物界面調(diào)控實現(xiàn)二氧化碳高效光催化還原制甲醇研究新進展

來源:南京理工大學(xué)      2022-06-08
導(dǎo)讀:近日,化學(xué)與化工學(xué)院課題組聯(lián)合美國懷俄明大學(xué)Maohong Fan教授和美國西北大學(xué)Harold H. Kung教授在國際化學(xué)類頂級期刊《Journal of the American Chemical Society》上在線發(fā)表了題為《Core–Shell Covalently Linked Graphitic Carbon Nitride–Melamine–Resorcinol–Formaldehyde Microsphere Polymers for Efficient Photocatalytic CO2 Reduction to Methanol》的研究論文(https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c13301?ref=pdf)。南京理工大學(xué)為第一完成單位和通訊單位。

  

圖1 氮化碳-非晶態(tài)有機聚合物光催化劑作用機制

      近年來,CO2光催化制甲醇(CO2 + H2O = CH3OH + 3/2O2)受到了廣泛關(guān)注,其被認(rèn)為是實現(xiàn)碳中和的理想戰(zhàn)略。有機聚合物光催化劑由于其成本低、地球豐度高被廣泛研究。晶態(tài)有機聚合物例如氮化碳、有機共價聚合物等在光催化CO2還原制甲醇領(lǐng)域取得了很大進展。但是,非晶態(tài)聚合物由于其配體間的各向異性,導(dǎo)致其HOMO和LUMO電子分離困難,在光催化領(lǐng)域的研究和報道較少。本文擬采用晶態(tài)有機聚合物氮化碳與非晶態(tài)有機聚合物MRF復(fù)合,促進其電子和空穴分離,促進其光催化活性。


圖2 氮化碳-非晶態(tài)有機聚合物光催化劑結(jié)構(gòu)圖

      本研究使用具有有吡啶環(huán)擴展共軛體系的有機聚合物氮化碳和三聚氰胺-間苯二酚-甲醛(MRF)聚合物反應(yīng)形成核殼結(jié)構(gòu),其內(nèi)部為氮化碳,外部主要由MRF組成。MRF有利于CO2的吸附、活化和光催化還原,氮化碳有利于光-電轉(zhuǎn)化和水氧化,電子需要穿過氮化碳和MRF的界面,實現(xiàn)CO2還原。氮化碳和MRF之間形成了碳氮共價鍵,有利于電子從氮化碳向MRF轉(zhuǎn)移,消除了電子傳輸壁壘,促進了電子傳輸和CO2還原。通過理論計算和實驗分析發(fā)現(xiàn),氮化碳和MRF之間形成了較好的銜接,兩者復(fù)合后電子離域增大,形成了顯著的電子和空穴分離。

圖3 氮化碳-MRF復(fù)合材料電子和空穴分離路徑圖

      化學(xué)與化工學(xué)院丁杰老師為論文的第一作者,上海交通大學(xué)唐慶麗博士為論文的共同第一作者,本文通訊作者分別為化學(xué)與化工學(xué)院鐘秦教授、美國懷俄明大學(xué)Maohong Fan教授和美國西北大學(xué)Harold H. Kung教授。該研究工作主要由南京理工大學(xué)自主科研專項(30920041108)和國家自然科學(xué)基金(21908108)資助。

參考資料:https://zs.njust.edu.cn/88/6b/c3558a297067/page.htm

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