文献速递 | 蒋加兴&张崇团队 Advanced Materials 光催化制氢

第一作者：舒畅

通讯作者：蒋加兴 张崇

DOI: 10.1002/adma.202008498

本文亮点

本文利用统计共聚反应，在供体芘和受体二苯并噻吩二氧化物单元之间嵌入“π桥”，构建了一系列D-π-A CMPs光催化剂，通过调节供体与受体之间的比例，探究了聚合物化学结构和单体组成对其光催化性能的影响。此外，进一步探究了其光化学性能、能级轨道的分布、亲水性、牺牲剂的选择和催化剂用量等对其光催化性能的影响。

01前 言

2021年5月，Advanced Materials杂志在线发表了陕西师范大学蒋加兴教授团队在光催化制氢领域的最新研究成果。该工作通过调整芘（给体）与二苯并噻吩-S,S-二氧化物（受体）单元的进料摩尔比，使用统计共聚法合成了一系列D-π-A型共轭有机共聚物光催化剂。通过引入苯桥连接供体和受体来优化分子结构，获得了具有高光催化产氢活性的有机光催化剂PyBS-3，该材料具有优异的光催化产氢性能，在紫外可见光下具有1.05 mmol·h^-1的光催化产氢速率，质量归一化的产氢速率达到105 mmol·h^-1·g^-1。陕西师范大学材料科学与工程学院舒畅硕士为第一作者，陕西师范大学材料学院蒋加兴教授以及青年教师张崇博士为本文通讯作者。

02背 景

目前，能源危机以及二氧化碳过度排放引发的气候问题已经成为影响人类可持续发展的两个重大问题。利用太阳光分解水产氢被认为是一种将太阳能转换为化学能的简便且经济高效的技术，是解决能源危机和降低二氧化碳排放量的理想解决方法之一。其中，共轭有机半导体光催化剂由于具有结构灵活、电学性能和带隙可调、合成方法多样性等优势受到广泛关注。然而，大多数报道的有机共轭聚合物光催化剂的光催化活性还不够高。有机聚合物光催化剂的合理结构设计是实现高光催化性能的关键。

03图 表 解 析

本文所得共聚物均是由Suzuki-Miyaura交叉偶联聚合反应合成，通过固定1,4-苯二硼酸双(频哪醇)酯的进料比，并改变1,3,6,8-四溴芘和3,7-二溴二苯并噻吩-S,S-二氧化物的相对摩尔比合成出一系列具有D-A分子结构的聚合物，如图1所示。通过红外光谱 (图2a) 和固态碳谱 (图2b) 对制备材料的结构进行确认。通过热分析和物理吸脱附对材料的热稳定性 (图2c) 和比表面积/孔径 (图2d,e) 进行了分析。另外，还通过与水的接触角对不同比例聚合物的亲水性进行了研究 (图2f)。通过紫外可见吸收光谱、荧光发射光谱和光电流测试分析了材料的光学性质和电化学性质，结合循环伏安电化学测试确定了其HOMO和LUMO能级的位置，这些结果表明，可以通过改变化学成分来有效地调节共聚物的物理性质和电子结构，其中PyBS-3具有更窄的带隙和更强的光响应活性，如图3示。

共聚聚合物的光催化产氢实验以25 mg的聚合物作为光催化剂，三乙醇胺作为牺牲剂来进行测试，所有的共聚物光催化剂在可见光照射下均显示出稳定且高的光催化活性。其中，在负载了3 wt%的Pt后，PyBS-3在紫外-可见光下的产氢速率达到了0.74 mmol ·h^-1。随后探究了不同牺牲剂和光催化剂的使用质量对聚合物光催化制氢的影响，当抗坏血酸作为牺牲剂时，负载3 wt% Pt的PyBS-3 (10 mg)，在紫外-可见光照射下表现出最高的光催化产氢速率，为1.05 mmol ·h^-1，并在420 nm处获得的最高外部量子效率，为29.3％，并利用排水实验验证了所制备光催化剂产氢性能的真实性。此外，共聚物光催化剂还具有高度可重复性和良好的稳定性，在长达24小时的光催化循环测试后，PyBS-3依然能保持1.02 mmol ·h^-1的光催化产氢速率和结构稳定性，如图4所示。

04全 文 小 结

综上所述，本研究制备了一系列D-π-A型高光催化活性的有机共轭聚合物，通过调节聚合物结构中电子给体与电子受体的摩尔比对聚合物光催化剂的微结构和物理性能进行有效调控，进而实现对其光催化产氢活性的提升。该研究工作为制备具有优异光催化分解水产氢性能的有机光催化剂提供了一条新的路径。

05作 者 简 介

蒋加兴，陕西师范大学教授/博士生导师。主要研究方向为：共轭微孔聚合物在光催化分解水制氢及储能领域的应用研究;主要科研成果：以第一或通讯作者在 J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Energy & Enviromental Science, Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Catal., ACS Nano, Appl. Catal., B, J. Mater. Chem. A, Chem. Sci., Chem. Commun., Macromolecules, Science China Chemistry 等国际著名刊物发表 SCI 论文 70 余篇，论文他引 4500 余次，8 篇第一作者和通讯论文入选高被引用论文，H-因子 32。课题组链接：http://clxy.snnu.edu.cn/szdw/szjg1/yjjgngfzclyjtd/js2/jjx1.htm
文献信息：Chang Shu, Chong Zhang, Jiaxing Jiang et. al. Boosting the Photocatalytic Hydrogen Evolution Activity for D-π-A Conjugated Microporous Polymers by Statistical Copolymerization. Advanced Materials 2021, DOI: 10.1002/adma.202008498

05本 文 所 使 用 仪 器

关键特征：
● 具有恒光辐照度输出(光控)和恒电流输出(程控)两种工作模式；
● 采用光学光反馈技术，实现输出光强的长期稳定输出；
● 采用液晶显示屏，显示相对辐照值、灯泡寿命计时；
● 具有过载过流保护，风扇延时等多种保护功能。

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素材来源：陕西师范大学蒋加兴教授团队。

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