苯乙炔铜配位聚合物光催化机理和构效关系的研究

PhC2Cu coordination polymer is a new visible-light driven photocatalyst which was developed by the applicant during her postdoctoral period. According to the research results, PhC2Cu coordination polymer shows excellent performance in the degradation of organic pollutants, reductive dehalogen reaction and activation of molecular O2, indicating that it is potential to be a visible-light driven photocatalyst with high efficiency. However, the photocatalytic application of PhC2Cu coordination polymer and efficiency are still undeveloped, while the photocatalytic mechanism hasn’t been fully studied, either. Especially, there is no any research about the structure-activity relationship of PhC2Cu coordination polymer to be reported. As a result, it is impossible to optimize the photocatalytic efficiency through adjusting its chemical structure. Therefore, this project will focus on the study of the photocatalytic mechanism and structure-activity relationship of PhC2Cu coordination polymer, in order to expand its photocatalytic activity and optimize its photocatalytic efficiency.

苯乙炔铜（PhC2Cu）配位聚合物是申请者在博士后研究阶段所开发的一种新型的可见光催化剂，在降解有机污染物、还原脱卤反应和活化分子O2方面都表现出良好的光催化活性。研究结果表明：苯乙炔铜配位聚合物具有成为高效可见光催化剂的潜力，有望突破光催化领域目前所面临的效率瓶颈。不过，前期探索研究尚不充分，对苯乙炔铜配位聚合物的光催化机理还未完全掌握，特别是对其化学结构、微观形貌和光催化性能之间的构效关系未能阐明。此外，苯乙炔铜可能还具有其它光催化应用，例如光催化制氢、光催化还原二氧化碳等，这些也亟需开展进一步的研究，以探明其潜在价值。因此，本项目拟通过调节其化学结构，比较不同结构之间的光催化性能，来研究和讨论苯乙炔铜配位聚合物的光催化机理和构效关系，为其结构的调控和设计提供重要的理论依据和指导，达到拓展其在光催化领域的应用、提高光催化效率、优化光催化性能的目的。

光催化作为一种成本低廉、环境友好的绿色化学策略，已经在能源和环境领域取得了极大的发展。然而，越来越多的研究表明：光催化技术在效率方面遭遇了“玻璃天花板”式的发展瓶颈，严重制约了其产业化应用。这就促使我们必须要深入研究光催化反应的本质，了解光催化剂的构效关系，为打破光催化效率的瓶颈提供更有效的指导。在本基金的支持下，我们从以下三个方面对光催化剂的构效关系进行了深入的研究。.（1）苯乙炔铜是我们最新发现的一类金属-有机配合物光催化剂，其窄禁带、高导带的特性使其具有较好的光催化性能。然而，其较浅的价带极大地限制了其光催化性能。因此我们希望能对其价带进行调控，增强价带的氧化性及可利用性。首先，通过温和、安全的光合成法制备高效的苯乙炔铜纳米带。 在此基础上，我们在制备苯乙炔铜的过程中，将Fe原子掺入到其结构中，进一步提高了其光催化降解有机物的性能。研究表明：Fe掺杂引起的苯乙炔铜荧光变色效应和能带结构的改变是提高其光催化活性的根本原因。.（2）光催化固氮是替代高能耗、重污染、反应条件苛刻的Haber-Bosch工艺最有前景的合成氨方法，而作为最稳定、最经济的光催化剂TiO2的固氮效率却很低下，这促使我们对其进行改性，可望提升其固氮效率。我们将新型二维层状功能材料Ti3C2 MXene作为助催化剂担载在P25 TiO2上，不仅有效地促进光生载流子的迁移和分离，同时在复合材料中引入了氧空位，促进了N2的化学吸附和活化，成功提高了P25 TiO2的光催化固氮性能。另外，我们以Ti3C2 MXene为前驱体，通过简单煅烧的方法将其转变为富含氧空位的碳掺杂TiO2， 该样品表现除了优秀的光催化固氮性能。.（3）BiVO4被认为是光电催化水分解中理想的光阳极材料，但是其光电流却远低于理论预期。为了使BiVO4在光电催化分解水的过程中充分发挥其本质优势，我们在BiVO4表面引入了高结晶度的α-FeOOH助催化剂，有效地改善了BiVO4表面电子-空穴愈合过多、过快的问题，促进其氧化水释放氧气的反应动力学，这对促进BiVO4的光电催化分解水至关重要。