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第 47 卷 第 4 期燕山大学学报Vol.47 No.42023 年 7 月Journal of Yanshan UniversityJuly 2023 文章编号:1007-791X(2023)04-0307-12共轭聚合物材料在光催化领域的研究进展与潜在挑战赵 锐,张森林,屈年瑞,谷建民,王德松(燕山大学 河北省应用化学重点实验室,河北 秦皇岛 066004)收稿日期:2023-03-27 责任编辑:王建青基金项目:国家自然科学基金资助项目(22278349)作者简介:赵锐(1999-),女,黑龙江大庆人,硕士研究生,主要研究方向为纳米光子学;通信作者:谷建民(1984-),男,吉林乾安人,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为纳米光子学,Email:jmgu 。摘 要:通过半导体催化剂将光能转化为化学能是太阳能转化利用的重要方式之一。然而,传统的无机半导体材料其带隙较宽,大部分仅对紫外光有响应。与无机半导体相比,共轭聚合物半导体不仅具有较宽的可见光(占据了太阳光谱的主要能量)吸收范围和较高的吸光系数,而且易于进行分子设计和调控。本文首先综述了共轭聚合物材料的种类及其相应的优异特性;其次,对共轭聚合物材料被作为光催化剂用于废水净化、水裂解析氢和 CO2还原三方面的研究进行了总结;最后,对该类材料目前存在的一系列问题进行了探讨并提出了初步的解决方案。关键词:替代能源;共轭聚合物;光催化性能;光催化应用中图分类号:X937 文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1007-791X.2023.04.0040 引言太阳被称为超级“能量仓库”,可以不断地将太阳光照射到地球上,平均每小时到达地球表面的太阳能足以满足人类一整年的能源需求1-2。尽管太阳能具有价廉、丰富和清洁的优点,但由于其能量密度低、稳定性差和时区依赖性高等问题,很难被高效地投入应用。利用光催化的相关反应将清洁、可再生的太阳能转化成具有高能量化学能是一种有效的新能源获取方式。由于半导体较强的氧化还原能力,光催化技术已被广泛应用于污染废水的处理,是一种强有力的环境修复策略。此外,光催化裂解水生产清洁氢燃料有望缓解全球能源危机,整个过程可达到清洁、环保和可再生效果3-9。最后,合理运用光催化技术可以将 CO2(温室气体的主要组成成分)转化为增值化学品(一氧化碳、甲烷和甲醇等),创造巨大的经济效益,同时解决当前由于 CO2过量释放引起的能源短缺和环境问题10-14。到达地球表面接近一半的太阳光能量都是来自可见光(其范围约 400800 nm),怎样高效地利用可见光成为了光催化领域研究的最大挑战。无机半导体光催化材料能够利用光能催化分解水和空气中的有机污染物,具有光催化活性高、稳定性好、价格相对较低等优点15,成为光催化领域降解污染物中研究最为深入的一类光催化材料。然而,由于该类材料带隙较宽,只能吸收波长较短的紫外光,故使得其对太阳能的利用率较低,对有机污染物的降解速率慢,而且受激发后产生的光生电子和光生空穴又很容易复合,从而导致了其较低的光催化性能6-7,15-16。在对大量无机半导体光催化材料进一步研究中发现,大多数金属氧化物即使经过了设计、调控,依然难以有效地利用太阳光17-18。共轭聚合物半导体材料,可直接通过分子设计和控制聚集等策略对材料的相关属性进行改良,这是无机半导体材料无法比拟的。共轭 聚 合 物 材 料 现 已 应 用 于 有 机 太 阳 能 电池19-20、有机发光二极管21和光电化学器件22等308 燕山大学学报2023领域。然而,将共轭聚合物半导体作为光催化剂,将太阳能有效地转化为化学能仍然是目前研究的一大重点。本文基于共轭聚合物半导体光催化材料所体现出的突出优势,对其进行了详细的综述。进一步地,总结了该类材料在污染物光降解、光催化制氢、光催化 CO2还原三个方面的光催化机理及应用。最后阐述了该材料在实际应用和研究中存在的挑战及相应的解决方案。1 共轭聚合物半导体材料1.1 共轭聚合物半导体材料的发展 最早关于共轭聚合物光催化剂的报道可以追溯到 20 世纪 80 年代,日本科学家证明了聚对苯在紫外光下可以驱动析氢反应,在特定空穴牺牲剂的存在下产生微量的氢气23-24。2008 年,河北科技大学王德松教授团队开创性地通过原位聚合法选用聚苯胺(PANI)对二氧化钛(TiO2)纳米颗粒进行改性,少量 PANI 引入可以有效增强 TiO2纳米颗粒的分散性,提高了该复合材料在紫外光下的光催化活性25;基于以上工作该团队在同年申请发明专利“具有可见光催化活性的 AgBr/PANI/TiO2纳米复合材料的制备方法”26,将共轭聚合物材料聚焦于光催化领域,越来越多的科研人员基于王德松团队的工作展开了对共轭聚合物材料的研究。2009 年,王心晨教授课题组发现非金属聚合物石墨相氮化碳在可见光和不同牺牲剂的条件下完成析氢反应和产氧反应。这一突破性发现引发了相关研究人员对氮化碳及其衍生聚合物替代金属氧化物作为光催化剂的大量关注27。2015 年,D.J.Adams 和 A.I.Cooper 等人制备得到光学带隙在 1.942.95 eV 范围间的可调多孔有机聚合物,将该类材料应用于光催化水裂解析氢反应28。以上系列突破性的工作吸引了大量学者关于共轭聚合物用于光催化领域的应用研究。1.2 共轭聚合物基光催化剂1.2.1 石墨相氮化碳及其衍生物 石墨相氮化碳(g-C3N4)材料因其良好的光催化活性和高效的可见光吸收而引起广泛关注。共轭层结构中碳和氮原子之间的强共价键,使其具有较高的化学和热稳定性29-30。石墨相氮化碳是由廉价的含氮前体,如双氰胺、氰胺、三聚氰胺、尿素和硫脲等聚合形成的31-32。g-C3N4中的碳氮原子通常是 sp2杂化,结构单元通常是由三嗪环或七嗪环(如图 1)组成的15,20。两个环用 键连接,垂直于 键的 p 轨道形成共轭大 键。Kroke 等人通过密度泛函数理论得出以七嗪环为单元的 g-C3N4结构更稳定33。共轭体系的石墨相结构使得 g-C3N4高效地传输光生载流子34。g-C3N4具备特殊的物化性质和一定的光催化活性,使得其被广泛应用于能源和环境领域中。图 1 g-C3N4的结构示意图Fig.1 Structure diagram of g-C3N4 然而,由于 g-C3N4的高电子-空穴重组率、可见光吸收不足(仅限 460 nm 以下)、低比表面积(10 m2/g)等特点,使得其作为光催化剂面临着很大挑战35。现今已经有多种策略可以增强 g-C3N4的光催化性能,主要包括掺杂、缺陷控制、尺寸与结构调整和异质结构建等33,35-36,其中通过构建异质结的策略可有效提高 g-C3N4半导体的光催化活性。Liu 等人通过使用微波马弗炉加热均匀分散的二硫化锡(SnS2)纳米片和 g-C3N4纳米片,得到了 SnS2/g-C3N4异质结37。通过透射电镜(TEM)进一步观察 g-C3N4和SnS2/g-C3N4的形貌。g-C3N4具有多个堆叠层的褶皱层结构(图 2(a),而 SnS2为单层片状,由图2(b)中可清晰观察到 SnS2/g-C3N4复合材料的微观结构。虚线为 g-C3N4的边缘,虚线外为 SnS2,说明 SnS2纳米片能够被均匀地负载在 g-C3N4纳米片的表面,形成有效的 SnS2/g-C3N4异质结构。当 SnS2沉积在 g-C3N4纳米片表面时,H2生成速率约是纯 g-C3N4的 3 倍,证实了异质结的形成可以促进 g-C3N4中光电电子空穴分离,从而潜在地提高 H2产率。第 4 期赵 锐 等 共轭聚合物材料在光催化领域的研究进展与潜在挑战309 图 2 样品 g-C3N4和 SnS2/g-C3N4的 TEM 图Fig.2 TEM image of g-C3N4 and SnS2/g-C3N4Katsumata 等人38通过简单的煅烧方法制备复合光催化剂 WO3/g-C3N4。三氧化钨(WO3)负载量达到 10%,WO3/g-C3N4复合材料 H2生成速率达到 110 molh-1g-1(图 3),约为纯 g-C3N4的 2 倍,实现了 g-C3N4基复合材料析氢速率的进一步提高。图 3 g-C3N4 和 WO3/g-C3N4的析氢效果Fig.3 Hydrogen evolution effect of g-C3N4 and WO3/g-C3N4 基于 g-C3N4材料优异的物化性质,Hua 等人将磷 化 亚 铜(Cu3P)纳 米 颗 粒 有 效 负 载 在 了g-C3N4表面上,成功合成了 Cu3P/g-C3N4复合光催化剂39,在可见光下(420 nm),该复合材料的光催化活性得到了大幅度提高(如图 4)。Cu3P是没有光催化活性的,但当仅质量分数为 1.0%的Cu3P 颗粒负载到 g-C3N4纳米片后,其复合材料CC-1.0 的光催化活性得到成倍的提高,析氢量达到 808 molg-1h-1,约为纯 g-C3N4的 75 倍。接下来,当继续增大 Cu3P 的负载量后,复合材料的析氢量逐渐降低,这可能是由于 g-C3N4表面多余的 Cu3P 对光吸收的屏蔽作用而导致的。光催化剂的稳定性是评定其光催化性能的一项主要的参数,因此该团队对 Cu3P/g-C3N4复合材料进行了进一步地稳定性测试。由图 5 所示,在连续循环 4 次后,Cu3P/g-C3N4的光催化活性没有明显下降,表明 Cu3P/g-C3N4复合材料具有较好的光催化反应稳定性。图 4 g-C3N4和 Cu3P/g-C3N4的析氢效果Fig.4 Hydrogen evolution effect of g-C3N4 and Cu3P/g-C3N4图 5 Cu3P/g-C3N4的稳定性测试Fig.5 Stability test of Cu3P/g-C3N41.2.2 线性高分子 早在 1985 年,线性高分子聚对苯首次应用于紫外光下的光解水产氢反应23;该材料作为最早的线性高分子光催化剂且最早应用于光催化析氢反应。紧接着,研究证明了以双吡啶为结构单元的线性高分子可以有效实现光催化水裂解析氢反应40。近年来,共轭聚合物材料多被用作光催化剂。特别地,从线性结构的角度出发,聚苯胺310 燕山大学学报2023(PANI)具有共轭大 键体系,其中 或 键轨道可以形成电荷迁移复合物而产生电荷迁移,因此该种共轭聚合物具有良好的导电性和环境稳定性,又基于其易制备的特点使得 PANI 聚合物受到众多科研人员的大力关注41。无机半导体/聚苯胺纳米复合材料在光催化领域广受关注。王等人25首次通过原位聚合法合成了 TiO2/PANI 复合材料,即先通过化学氧化法将在 TiO2纳米颗粒表面将苯胺(ANI)原位聚合生成聚苯胺(PANI),得到 TiO2/PANI 纳米复合材料。一般纳米 TiO2的表面能较高,其颗粒间易聚集,导致该材料较低的比表面积和活性位点,这限制了其在许多领域的应用。但经过线性共轭聚合物 PANI 改性后的 TiO2纳米颗粒相比于 TiO2纳米颗粒的团聚效应有了明显的缓解(图 6)。这表明PANI 能够有效抑制 TiO2纳米颗粒的聚集,对提高纳米材料分散性和复合材料光催化性的相关工作有重要借鉴意义。图 6 TiO2和 TiO2/PANI 的 TEM 图Fig.6 TEM image of TiO2 and TiO2/PANI 特别地,除了微观形貌上的变化,经过 PANI改性后得到的 TiO2/PANI 复合光催化剂对光的吸收能力得到了显著的提高。如图 7 的紫外-可见漫反射光谱所示,TiO2纳米颗粒只能吸收紫外光(760 nm)。基于以上工作的启发,R.Sasikala 等人先采用沉淀法得到硫化镉(CdS),再使用原位复合法制备了 MoS2-PANI-CdS 三元复合材料42。该复合材料在可见光区域能表现出良好的光催化性能,它的析氢速率可以达到 0.57 mmolh-1g-1,并具有良好的循环稳定性(图 8),进一步拓宽了无机半导体/聚苯胺纳米复合材料在光催化领域的应用。图 7 TiO2和 TiO2/PANI 的紫外-可见漫反射光谱Fig.7 UV-vis diffuse reflectance spectra of TiO2 and TiO2/PANI图 8 MoS2-PANI-CdS 的稳定性测试Fig.8 Stability test of MoS2-PANI-CdS1.2.3 有机共轭骨架材料 根据化学组成、组成单元的共轭程度、是否呈多孔结构和结晶度,可以将聚合物网络光催化剂分为共轭微孔聚合物、共价三嗪基骨架和共价有机骨架(COFs)等43。2015 年,D.J.Adams 和 A.I.Cooper 等人通过调节共聚物的组成,采用Suzuki-Miyaura 偶联反应合成了带隙连续可调的聚合物半导体材料,将共轭微孔聚合物用作光催化剂,应用于可见光下的光催化裂解水的析氢反应44。自此,共轭微孔聚合物得到了大家的持续关注,一些各具特点的共轭微孔聚合物催化剂相继被开发。共价三嗪骨架是以三嗪单元为基础结构,与其他单元结构交叉共轭形成的一种高含氮量、化学结构稳定的多孔材料45。不同于热解获得的氮第 4 期赵 锐 等 共轭聚合物材料在光催化领域的研究进展与潜在挑战311 化碳材料,共价三嗪骨架既可以通过高温熔盐法制备,也可以通过低温下的偶联反应获得46。合成方法对于共价三嗪骨架作为光催化剂的活性有着重要影响47。共价有机骨架(COFs)材料是由有机结构单元通过共价键形成的新型高分子材料,COFs 是基于共价键有序连接的一类晶态高分子材料,具有规则的孔道结构、稳定的骨架结构、较高的比表面积、较高的孔隙率以及易于被功能化修饰等优异的特点,现已成为功能有机材料化学的研究热点之一。2014 年,B.V.Lotsch 课题组开发出以腙(hydrazone)为单元的共价有机骨架光催化剂,实现光解水析氢反应48。图 9 为一系列 B.V.Lotsch 团队制备得到的二维(2D)氮联 COF(Nx-COF)(x 表示为其含有的N 原子数量)随时间变化的析氢性能结果,N0-COF、N1-COF、N2-COF、N3-COF 的析氢速率依次为23、90、438、1 703 molh-1g-1(插图为 Nx-COF结构图)。随着 N 原子数量的增加,Nx-COF 的结晶体提高,电子结构得到逐步优化,光生载流子的分离能力变强,进而导致其材料的光催化活性得到逐渐增强。基于 COFs 共轭聚合物材料优异的结构特点和制备优势,这些年来,各种各样的COFs 材料在光催化方面的应用获得了快速的发展。图 9 Nx-COF 的析氢效果Fig.9 Hydrogen evolution effect of Nx-COF2 聚合物基材料在光催化领域中的应用2.1 光催化降解污染物2.1.1 降解机理 由于直接或间接的污染物释放,在许多水生生物中检测到了难降解的有机污染物(POPs),其浓度因污染源而异,给地球的水资源和环境带来了许多不可逆的破坏15。传统的废水处理工艺无法完全去除持久性有机污染,需要先进的技术来解决这一问题。利用半导体光催化技术可以清洁且高效地解决以上的科学问题,因此,光催化降解水中有机污染物是半导体光催化材料在水污染处理方面的一个重要应用。染料分子可以吸收可见光成为激发态,处于激发态的染料分子的氧化还原电势通常低于相应的基态电势(表 1)。电子从激发态的染料分子转移至半导体的导带上,导带上的电子和水中的氧气结合,将生成超氧自由基,生成的超氧自由基进一步反应可得到羟基自由基49-50,这些具有强氧化性的自由基团可以将污染物氧化成无污染的物质,如 CO2、水和一些中间体小分子。表 1 不同染料在激发态下的还原电位Tab.1 Reduction potentials of different dyes in excited states染料E0/V vs.NHE茜素红-1.57荧光素乙酯-1.33伊红-1.11罗丹明 B-1.09亚甲基蓝0.53甲基橙0.722.1.2 有机染料的降解 由于罗丹明 B、甲基橙、亚甲基蓝(MB)等常见的有机染料都含有苯环结构,可以与有机共轭聚合物光催化材料发生-共轭,从而增强其对有机染料分子的吸附性能,使得光生电子-空穴以更高效的速率分离与迁移,可以显著提高光催化剂的光降解活性51-53。Li 等人通过一步水热法制备二氧化钛-氧化石墨烯(P25-GR)纳米复合光催化剂,氧化石墨烯(GR)和二氧化钛(P25)通过化学键紧密相连接54。因石墨烯中含有苯环结构,它可以与 MB 分子发生-共轭作用,使得 MB 能够被大量吸附并迁移至二氧化钛表面。在可见光照射下,二氧化钛-碳纳米管(P25-CNTs)降解染料的效率优于 P25,但其整体光催化活性仍较低。基于 GR 优异的吸附性能,相比于CNTs 而言,制备得到的 P25-GR 的吸附性能得到312 燕山大学学报2023明显的优化,因此,基于吸附和超氧自由基的强氧化性的协同作用,图 10 所示 P25-GR 复合光催化剂光催化降解 MB 的效率约是 P25 的5 倍,光催化性能有了显著提高。图 10 光催化剂的降解性能Fig.10 Degradation properties of photocatalysts2.2 光催化析氢 氢气是重要的能源载体之一,基于该物质具有清洁、环保和高效的特性,近年来,研究人员致力将氢能转化为各种可再生能源,应用于零排放汽车、加热源和燃料电池等55。自 Fujishima 和Honda 在 1972 年首次使用 TiO2光电极实现光催化水裂解制氢以来56,光催化水裂解析氢策略成为目前发展的一类极具应用前景的制氢技术。2.2.1 析氢原理 到目前为止,研究人员尝试了各种类型的半导体材料用于光催化制氢,如金属有机骨架材料、金属氧化物(TiO2、Cu2O 和 BiVO4等)、金属硫化物(SnS2、MoS2和 Znln2S4等)和 g-C3N4及其衍生物等57。然而,这些材料存在带隙宽、有毒、不稳定和制备成本高等一系列缺点而难以投入到光催化领域的实际应用中去。共轭聚合物光催化剂具有较高的比表面积、较多的活性位点和制备条件温和等特点,能够有效分离光生载流子58,具有较高的光催化性能。光催化裂解水制氢的机理反应分为 3 个阶段(图 11):1)聚合物基复合材料会吸收来自紫外线/阳光的光能,促进电子/空穴传导,其中以光的形式接收到的能量必须大于或等于半导体材料的带隙能量11,59-60;2)光生电子由聚合物半导体的价带(VB)被激发到导带(CB),此时质子被导带上的电子还原生成 H2(式 1);3)留在价带上的空穴通过水分子的光氧化过程生成 O2(式 2)。4H+4e-2H2(1)2H2O+4h+4H+O2(2)图 11 负载产氢和产氧共催化剂的半导体光催化剂上的水分解机理示意图Fig.11 Schematic illustration of water splitting mechanism over a semiconductor photocatalyst loaded with hydrogen and oxygen generation co-catalysts2.2.2 析氢应用 Jiang 等人61制备了一种新型给-受体结构的共轭微孔聚合物光催化剂(图 12),该团队使用四苯基乙烯或二苯并G,P稠二萘作为电子给体,所制备的共轭微孔聚合物光催化剂(TPE-BTDO和 DBC-BTDO)均含有二苯并(-B,D-b,d)噻吩-S,S-二氧化物。与扭曲空间结构的四苯基乙烯相比,基于二苯并G,P稠二萘的 共轭平面分子结构,DBC-BTDO 更有利于光生电荷传输和光生电子-空穴对的分离,因此聚合物 DBC-BTDO 光催化剂在无助催化剂的情况下可见光析氢速率高于 TPE-BTDO,且经过 10 次循环析氢实验,持续20 h 后其析氢活性仍未有明显下降。图 12 两种聚合物的合成路线和概念结构Fig.12 The synthetic routes for the two polymers and the notional structures2.3 光催化还原 CO2 多年来,化石燃料的大量消耗导致大气中的第 4 期赵 锐 等 共轭聚合物材料在光催化领域的研究进展与潜在挑战313 CO2水平上升,这造成了严重的环境和安全问题62。利用太阳能,将 CO2转化为碳燃料的这项光催化技术可以在减轻温室效应的同时突破能源短缺窘境63。然而,CO2是一个非常稳定的线性分子,活化能达到 728 kJ/mol(2 000 时仅有1.8%被分解),这使得 CO2的转化非常具有挑战性。在典型的 CO2光还原过程中,光催化剂对CO2的吸附和活化是其能够被高效转化的前提64,且光催化剂的氧化还原电位必须足以驱动反应65。2.3.1 CO2还原机理 表 2(pH=7)可以看出在水的体系中 CO2的相关还原反应,由于还原电位为-1.85 V(相对于一般氢标电势,NHE)仅通过单电子转移产生CO2-是不可行的。系列还原反应生成甲酸、一氧化碳、甲醛、甲醇和甲烷所需的还原电位分别为0.61、0.53、0.48、0.38 和 0.24 V,而在 CO2光还原过程中,水还原生成 H2需要的理论电势为-0.42 V,与 CO2还原反应为竞争关系。因此,根据所采取的反应途径和光生电子转移的数量,CO2光还原可能产生许多不同的产物,很难通过给定的光催化剂实现良好的选择性和高效率63。表 2 CO2的还原电位与 NHE 的比较Tab.2 The reduction potentials versus NHE for CO2 reduction序号反应E0/V vs.NHE1CO2+e-CO-2-1.852CO2+2H+2e-HCOOH-0.613CO2+2H+2e-CO+H2O-0.534CO2+2H+4e-HCHO+H2O-0.485CO2+6H+6e-CH3OH+6H2O-0.386CO2+8H+8e-CH4+2H2O-0.2472H+2e-H2-0.422.3.2 光催化 CO2还原应用 大多数应用于 CO2还原的光催化剂是无机化合物,金属氧化物或硫化物,如 TiO2、Cu2O 和 CdS等64,66,但在实际应用过程中,此类材料的光催化效率较低,产物的选择性不高且易造成二次的重金属污染。基于共轭聚合物优异的物化性质,该类有机聚合物半导体已被开始应用于非均相的液-固或气-固光催化还原 CO2体系。一般地,在气-固体系中较为简单,水蒸气作为电子供体,光催化剂均匀地分散在反应器的底部,水蒸气和CO2首先通过物理或化学吸附的方式附着在共轭聚合物活性位点上,接着在光照下进行 CO2还原反应。在实际应用过程中,为了开发更高 CO2光还原性能的共轭聚合物材料,还需要考虑一些关键的影响因素,如聚合物的带隙、比表面积、CO2吸收能力、电子能带结构和光生电荷分离效率等,以获得更为优异的光催化活性和目标产物的选择性67-68。此外,外部环境和操作条件,如催化剂用量、溶液 pH 值、压力和温度等,也可能影响催化反应的活性与效率69。为了解决 CO2在液-固体系中溶解性较差这一科学问题,Wang 等人70通过将尿素和巴比妥酸(BA)共聚的策略成功合成了巴比妥酸改性的 g-C3N4纳米片(CNU-BA),并通过 X 射线粉末衍射(XRD)技术对改性后的 CNU-BA 进行了晶体结构表征。如图 13(a)所示,所有样品的 XRD 特征衍射峰均与 CNU 样品相似。有趣的是,随着 BA 添加量的增加,属于 CNU(100)晶面的特征衍射峰减弱变宽(13.0),属于 CNU(002)晶面的特征衍射峰强度明显减小(27.4),以上结果的产生可能是由于在 CNU 层状结构中插入 BA 对其石墨相结构的扰动造成的,且在最佳的 BA 用量下,CN-BA0.03复合材料生成 CO 和 H2的速率均有显著的提高,分别为 31.1 molg-1和 4.89 molg-1。进一步地,基于以上对一系列含氮类聚合物前驱体改性的策略,Guo 等人通过在酒石酸存在下使用双氰胺热聚合的策略制备了含有氮缺陷的 g-C3N4纳米片(DCN-x,x 表示酒石酸的质量(g)71。一般而言,缺陷的引入可以提高材料对可见光吸收和光生电荷转移的能力,因此,DCN-0.05 的 CO 产量达 到 了 284.7 mol g-1,比 原 始 g-C3N4(35.5 molg-1)的析出量高了近 8 倍(图 13(b)。所以,可见光的吸收和光生电荷转移能力显著影响材料的光催化性能72。3 总结与展望 在过去的几十年里,环境和能源危机严重威胁着人类社会的可持续发展,需要有效的策略来缓解这一现状。共轭聚合物光催化剂可作为一种314 燕山大学学报2023新兴光催化材料,近十年来,其在能源和环境领域的应用得到了进一步的优化和拓展。不仅如此,聚合物材料在电化学领域应用也较为广泛,聚合物材料用于电池领域,它可以有效地将电荷进行分离、储存,可作为可持续、环保的电池材料73-75。将聚合物材料作为正极材料进行实验,实验结果表明聚合物用作正极材料的电池能够表现出良好的电化学性能76。导电聚合物在构建电化学传感器方面具有潜在的应用前景,可用于相应的环境监测以及药物监测等领域77-79。聚合物材料对构建电化学传感器以及检测分析领域的研究发展起到了推动作用80。图 13 石墨相氮化碳的改性Fig.13 Modification of g-C3N4 本文综述了共轭聚合物光催化剂的显著特点及其在废水净化、水裂解和 CO2光还原等方面的研究进展。相比于传统的无机半导体光催化剂,共轭聚合物光催化剂的光催化性能更好81,使用范围更广82,能够有效地分解有机染料83、裂解水产氢84。但仍然存在着一些缺点和障碍,限制了共轭聚合物基材料作为光催化剂在光催化领域应用上大范围生产和使用。目前仍有待解决的问题及相应的解决策略可归纳为以下三个方面:1)共轭聚合物材料具有良好水分散性的纳米结构,具有降解能力。但共轭聚合物材料的催化活性较差,为了获得更好的催化活性,进一步的研究应致力于优化共轭聚合物的光物理性质,以提高对污染物的降解效率。2)共轭聚合物材料作为光催化剂在光催化析氢方向,其析氢速率远高于一般的金属基半导体光催化剂。然而,与传统过渡金属配合物相比,其应用的反应类型和底物范围仍然有限。因此,对于多相聚合物光催化剂,需要探索新的有机分子转化机理。3)迄今为止,用于光催化还原 CO2的共轭聚合物光催化剂较少,且该类材料的活性或稳定性相对较低。基于对 CO2减排的反应途径的不确定性和目标产物选择性的研究不够全面74。为了提高反应的催化活性,研究人员需要进一步地对该类材料在分子单元和聚集体单元结构上进行优化。由于共轭聚合物材料具有多种分子结构和易于调整的固有优势,开发用于各种光催化应用的共轭聚合物材料存在着无限的机会和挑战。随着科学的不断进步,预计共轭聚合物材料的关键创新将在光催化领域应用中发挥越来越重要的作用。参考文献 1 BARBER J.Photosynthetic energy conversion natural and artificial J.Chemical Society Reviews 2009 38 1 185-196.2 CARRILLO A J GONZALEZ-AFUILAR J ROMERO M et al.Solar energy on demand a review on high temperature.thermochemical heat storage systems and materials J.Chemical Reviews 2019 119 7 4777-4816.3 CHEN X SHEN S GUO L et al.Semiconductor-based photocatalytic hydrogen generation 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