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摘要
氢气(H2)是一种清洁的无碳燃料,具有很高的能量密度,是化石能源的潜在替代品之一.半导体光催化水分解反应可将取之不竭的太阳能转化为氢气中的化学能,从而提供一条有前途的、经济和环境友好的产氢路线.光催化析氢反应(HER)涉及光捕集、激发、电荷分离和传输,以及表面质子还原过程.光激发态通常在几皮秒内发生,通过辐射或非辐射复合弛豫返回到基态,然而,光生电子迁移到表面并触发两电子的质子还原是一个慢过程,时间通常在几毫秒或以上.整个过程中转换效率因光生电子极易复合而大大降低.因此,如何延长光生电子寿命,促进电子及时传递到表面析氢位点,提高催化位点的析氢速率,是设计水分解高效光催化剂的关键,也是该领域的难题.有机半导体催化剂可以从地球丰度高的轻元素制备,具有成本低、毒性小和结构多样等特点.其中一个典型代表是共价有机框架(COFs),其具有大的比表面积及丰富可调的骨架组成和孔道结构,在分子水平上的可设计性具有独特优势.苯并咪唑化合物具有较大极性和灵活可调的π共轭结构,被广泛用作光电器件的共轭辅助分子.以苯并咪唑基单体直接合成的COF种类罕见,且未见相关COF用于光催化反应的报道.本文通过选用不对称的苯并咪唑单体(2-(4-氨基苯基)-5-氨基苯并咪唑)与三醛基间苯三酚直接通过席夫碱化学反应缩合,制备了苯并咪唑基COF.该COF材料有效促进了光吸收和电荷分离/传递,以及高活性Pt单原子析氢位点的形成,在可见光驱动的析氢反应中表现出较好的析氢速率和转换频率.采用微波辅助的溶剂热策略快速合成了苯并咪唑基COF(PABZ-Tp),通过X射线衍射、傅立叶变换红外吸收光谱、13C固态核磁共振等研究其结构.光学和光电化学表征结果表明,PABZ-Tp在可见光范围.内展现出较好的光吸收,具有较低的激子解离能(17.8 meV),有效促进了长寿命自由光电子的形成.骨架中带负电荷的苯并咪唑基团不但是Pt单原子形成和稳定的主要因素,还有助于构建良好的电子迁移通道,从而有效促进了光生电子快速传递到表面Pt单原子位点,使得该催化剂在可见光驱动的析氢反应中表现出较高的催化效率,析氢速率高达115 mmol g-1h-1,转换频率为4475.1 h-1.理论计算结合瞬态吸收光谱等实验结果表明,苯并咪唑COF框架是产生高活性的关键,对于光吸收、电荷分离传递以及高效析氢位点的构筑均起了重要作用.综上,本文构筑了一种高效的COF基有机光催化剂用于可见光析氢过程.展示了使用不对称咪唑基单体构筑功能化COF材料的广阔前景.
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单位中国科学院高能物理研究所; 材料化学工程国家重点实验室; 南京工业大学
