《美国化学会志》报道我校关于晶态-非晶态有机聚合物界面调控实现二氧化碳高效光催化还原制甲醇研究新进展

     近日，化学与化工学院课题组联合美国怀俄明大学Maohong Fan教授和美国西北大学Harold H. Kung教授在国际化学类顶级期刊《Journal of the American Chemical Society》上在线发表了题为《Core–Shell Covalently Linked Graphitic Carbon Nitride–Melamine–Resorcinol–Formaldehyde Microsphere Polymers for Efficient Photocatalytic CO2 Reduction to Methanol》的研究论文(https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c13301?ref=pdf)。南京理工大学为第一完成单位和通讯单位。

图1 氮化碳-非晶态有机聚合物光催化剂作用机制

      近年来，CO₂光催化制甲醇(CO₂ + H₂O = CH₃OH + 3/2O₂)受到了广泛关注，其被认为是实现碳中和的理想战略。有机聚合物光催化剂由于其成本低、地球丰度高被广泛研究。晶态有机聚合物例如氮化碳、有机共价聚合物等在光催化CO₂还原制甲醇领域取得了很大进展。但是，非晶态聚合物由于其配体间的各向异性，导致其HOMO和LUMO电子分离困难，在光催化领域的研究和报道较少。本文拟采用晶态有机聚合物氮化碳与非晶态有机聚合物MRF复合，促进其电子和空穴分离，促进其光催化活性。

图2 氮化碳-非晶态有机聚合物光催化剂结构图

      本研究使用具有有吡啶环扩展共轭体系的有机聚合物氮化碳和三聚氰胺-间苯二酚-甲醛(MRF)聚合物反应形成核壳结构，其内部为氮化碳，外部主要由MRF组成。MRF有利于CO2的吸附、活化和光催化还原，氮化碳有利于光-电转化和水氧化，电子需要穿过氮化碳和MRF的界面，实现CO2还原。氮化碳和MRF之间形成了碳氮共价键，有利于电子从氮化碳向MRF转移，消除了电子传输壁垒，促进了电子传输和CO2还原。通过理论计算和实验分析发现，氮化碳和MRF之间形成了较好的衔接，两者复合后电子离域增大，形成了显著的电子和空穴分离。

图3 氮化碳-MRF复合材料电子和空穴分离路径图

      化学与化工学院丁杰老师为论文的第一作者，上海交通大学唐庆丽博士为论文的共同第一作者，本文通讯作者分别为化学与化工学院钟秦教授、美国怀俄明大学Maohong Fan教授和美国西北大学Harold H. Kung教授。该研究工作主要由南京理工大学自主科研专项（30920041108）和国家自然科学基金（21908108）资助。