近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所微納米反應(yīng)器與反應(yīng)工程學(xué)創(chuàng)新特區(qū)研究組研究員劉健團(tuán)隊(duì)在利用聚合物光催化劑生產(chǎn)H2O2研究方面取得新進(jìn)展，基于對(duì)間苯二酚—甲醛（RF）樹脂的電荷分離能力的提升，以及光催化反應(yīng)路徑的調(diào)控，提升了RF樹脂的光催化產(chǎn)H2O2性能，使其太陽能到化學(xué)能（SCC）的轉(zhuǎn)化率達(dá)到1.2%。
利用聚合物光催化劑將氧氣和水轉(zhuǎn)化為H2O2的方法具有低能耗、環(huán)境友好等特點(diǎn)，是非常有潛力的生產(chǎn)H2O2的方法。然而，在分子水平上設(shè)計(jì)光催化劑，調(diào)節(jié)光生載流子行為仍具有挑戰(zhàn)。
大連化物所基于聚合物光催化劑提升了光合成H2O2效率
本工作中，該團(tuán)隊(duì)提出從分子尺度設(shè)計(jì)調(diào)控RF樹脂中電子供體（D）與電子受體（A）比例的策略，將缺電子的1,4-二羥基蒽醌（DHAQ）分子引入到RF的骨架中。研究發(fā)現(xiàn)，DHAQ作為電子受體可以有效調(diào)節(jié)RF中的D/A比例，增強(qiáng)其電荷分離能力，同時(shí)調(diào)整了反應(yīng)路徑，通過水氧化和氧還原的雙路徑共同生產(chǎn)H2O2，使得該材料展現(xiàn)優(yōu)異的光催化生產(chǎn)H2O2的催化活性，SCC效率達(dá)到1.2%，是目前文獻(xiàn)報(bào)道最高的SCC效率。此外，團(tuán)隊(duì)與大連化物所超快時(shí)間分辨光譜與動(dòng)力學(xué)研究組合作，結(jié)合飛秒瞬態(tài)吸收光譜等技術(shù)、原位表征實(shí)驗(yàn)以及理論計(jì)算模擬，闡析了DHAQ摻雜的RF樹脂的微觀結(jié)構(gòu)以及促進(jìn)電荷分離和雙路徑生產(chǎn)H2O2的機(jī)制。上述研究成果為在分子水平上設(shè)計(jì)高效人工光合作用的聚合物光催化劑提供了新思路。
RF樹脂作為一種窄帶隙半導(dǎo)體聚合物，近年來在光催化生產(chǎn)H2O2方面展現(xiàn)出潛力。劉健團(tuán)隊(duì)長期致力于酚醛樹脂納米材料的合成策略創(chuàng)新及功能化研究，取得了系列代表性成果：發(fā)展了擴(kuò)展St?ber法合成單分散的酚醛樹脂微球（Angew. Chem. Int. Ed.，2011），制備了一系列孔徑及粒度可控的多孔微球，以及中空結(jié)構(gòu)、蛋黃—蛋殼結(jié)構(gòu)、碗形酚醛樹脂聚合物微納材料（Nat. Commun.，2013；Adv. Mater.，2019；ACS Nano，2022），發(fā)展了化學(xué)剪裁策略有效調(diào)控酚醛樹脂微球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能基團(tuán)分布（Adv. Mater.，2022）等。
相關(guān)研究以“Molecular Level Modulation of Anthraquinone-containing Resorcinol-formaldehyde Resin Photocatalysts for H2O2 Production with Exceeding 1.2% Efficiency”為題，發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）上。該工作的第一作者是大連化物所博士研究生趙陳。以上工作得到了國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
