共轭改性的氮化碳用于Pickering乳液光催化CO2还原和芳香醇氧化反应

Utilization of carbon dioxide waste gas in the atmosphere as a useful resource to produce fuel through photocatalysis is one of the worldwide hot research topics. In this project, conjugation-functionalized carbon nitride is proposed for simultaneously photocatalytic CO2 reduction and aromatic alcohol oxidation in Pickering emulsion system. Based on the optimization of catalytic system and efficient catalyst design, the surface amphiphilicity, electronic conductivity and energy band structure can be optimized by tuning the conjugation structure of carbon nitride, thus improving the photocatalytic performance of CO2 reduction and aromatic alcohol oxidation to aldehyde in Pickering emulsion catalytic system. The relationship between conjugation structures and the Pickering emulsion stability, as well as photocatalytic performance was systematically studied, and the reaction mechanism of CO2 reduction and alcohol oxidation was explored. The influence of conjugation structure on photocatalytic activity was revealed. Therefore, this project provides theoretical and experimental base for designing high efficient catalysis system and open the way for industrial application of photocatalysis technology in CO2 conversion and fine chemical synthesis.

利用光催化技术将大气中的二氧化碳废气当作资源加以合理利用，是目前世界范围内研究的热点问题之一。本课题提出共轭改性氮化碳用于Pickering乳液体系光催化CO2还原和芳香醇氧化反应的同步进行，从催化体系的优化和高效催化剂的设计两方面着手，通过调控氮化碳的共轭结构，从表面双亲性、电子传导性和能带结构三方面进行优化，实现共轭功能化氮化碳在Pickering乳液体系中光催化CO2还原反应和芳香醇氧化反应活性的提高。系统研究不同的共轭基团与Pickering乳液的稳定性和光催化性能的关联性，探索共轭基团在两相体系中CO2还原和醇氧化的作用机制，并揭示其对催化性能的影响规律。为高效利用光催化技术实现CO2能源转化、精细化工合成策略提供理论和实验依据。

石墨相氮化碳作为一种新型的聚合物半导体在光催化领域应用广泛，然而其自身的本征缺点致使其光催化活性受到很大限制。通过共轭功能化的策略对氮化碳进行改性可以实现三方面的突破：电子传导率的提高；可调控的表面亲疏水性以及可调的能带结构。本课题主要围绕拓展氮化碳的共轭平面，通过分子间和分子内共轭策略对氮化碳进行改性，并选取代表性的光催化反应来探讨共轭功能化对氮化碳光催化活性的影响，探索并建立共轭基元与氮化碳电子结构和催化性能之间的构效关系。.1. 设计合成了具有聚合物异质结的共轭聚合物/氮化碳（C6-FDTP/CN）杂化材料，在可见光光催化产氢测试中表现出了超高的产氢效率。共轭聚合物的引入不仅拓宽了光吸收范围，而且与氮化碳形成了II型异质结，促进了电荷传输速率，提高了光生电荷分离效率。.2. 通过静电自组装的方法制备了碳纳米管/氮化碳（CNTs/CN）杂化复合材料，并将其用作皮克林乳液的乳化剂和催化剂，实现了在乳液中高效光催化氧化苯甲醇。具有大共轭平面的碳纳米管调节了杂化材料的表面亲疏水性，增强了苯甲醇的吸附，同时作为导体介质提高了电子转移速率，增强了电荷分离效率。.3. 采用共聚合的方法制备了苯环桥连七嗪环基共轭聚合物（BHCP）。氮化碳结构中的七嗪环之间的桥连N原子被苯环代替，实现了共轭平面的拓展。苯环的介入改变了能带结构，使得该共轭聚合物表现出p型半导体的性质。并与n型的氮化碳构筑了聚合物基p-n结电极材料，在光电分解水反应中表现出了优异的性能。为设计非金属p-n结提供了研究思路。.