共轭聚合物表面缺陷调控及在光催化C-N偶联中应用

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共轭聚合物作为一种新型的可见光催化剂,其化学结构可调、性质稳定、价格低廉、可见光响应强,近几年在光催化有机合成中表现出十分优异的催化活性。但是由于共轭聚合物本身电子结构呈现半导体或者绝缘体特性,电荷传输能力差,同时表面缺少有效的催化活性位点,往往导致其催化活性不佳。通过缺陷工程对共轭聚合物进行调控,能够形成局域电子缺陷态,不仅可以产生较多的催化活性位点,还可以提供电荷和能量的传递通道,是一种提高催化性能的有效手段。本文在p型聚合物聚苯胺(PANIs)和n型聚合物聚酰亚胺(PIs)中构筑点缺陷并调控缺陷的状态,分别提升了其对苄胺底物和氧气分子的吸附活化能力,进而提高了光催化C-N偶联性能。具体研究结果如下:(1)通过典型的氧化聚合法以及后续的氧化还原反应制备了HCl掺杂的聚苯胺(PANI-ES)和不同氧化态的聚苯胺(PANI-LB、PNAI-EB和PANI-PB),考察了其在可见光照射下催化苄胺氧化的性能,提出了PANI-ES光催化苄胺氧化的机理。结果表明:PANI-LB、PNAI-EB和PANI-PB的禁带宽度分别为3.04、2.94和1.50 e V,随着氧化程度的增加,禁带宽度逐渐减小。与PANI-EB相比,PANI-ES在靠近价带顶的位置形成极化子缺陷能级,其在420 nm处的UV-Vis吸收明显增强,禁带宽度减小至2.65 e V。氧化程度最高的PANI-PB含有最多的双极化子结构,具有最高的暗反应活性,其转化率为82.6%;PANI-ES含有最多的极化子结构,具有最高的光致苄胺氧化活性,其光致转化率为54.9%。UV-Vis分析和理论计算结果表明极化子结构和苄胺能够形成表面复合物,进一步增强可见光的吸收。PANI-ES光催化苄胺氧化的机理为:PANI-ES中的极化子和苄胺通过氢键相互作用形成表面复合物,表面复合物吸收可见光将苄胺氨基氮原子上的电子激发并转移至吸附在催化剂上的氧气分子,生成超氧自由基。苄胺自由基中间体与超氧自由基反应生成苯甲醛,苯甲醛再与过量苄胺缩合生成亚胺产物。(2)通过不同浓度的HCl掺杂处理本征态聚苯胺EB制备了含有不同极化子和双极化子含量的聚苯胺ESx,进一步明确了极化子和双极化子缺陷对聚苯胺导电性的贡献以及对光催化苄胺氧化活性的影响规律。结果表明:当掺杂浓度为0.5 M时,ES0.5具有最高的极化子浓度;当掺杂浓度为0.001和1 M时,ES0.001和ES1中含有相对较高的双极化子浓度。极化子和双极化子结构均能和苄胺形成表面复合物拓展可见光的吸收范围。在氧化程度一定的情况下,聚苯胺中极化子含量的增加有利于提高聚苯胺的导电性,良好的导电性有利于降低光生电子-空穴复合的概率,提高光催化性能。ES0.5具有最高的极化子浓度,电导率为0.06 S cm-1,其催化苄胺氧化的光致活性最高为55.9%。(3)通过盐单体聚合法和直接聚合法分别制备了富含氧空位缺陷的R-PI和缺陷不足的D-PI,分析了氧空位的引入对聚合物半导体能带结构、光生电荷分离能力和氧气分子活化能力等的影响,考察了其在可见光照射下光催化苄胺氧化制亚胺的性能及稳定性,提出了R-PI光催化苄胺氧化的机理。结果表明:在275°C的热聚合温度下,盐单体以熔融状态进行聚合反应,所制得的R-PI结晶性好。热聚合过程中有大量的乙醛释放,使R-PI中产生大量的氧空位缺陷,其缺陷浓度为26.1×1012 spins mg-1。R-PI中氧空位的引入在靠近导带底的位置形成一个新的中间能级,其禁带宽度由2.91 e V减小为2.34 e V,极大地增强了其在450-700 nm范围内的UV-Vis吸收。氧空位缺陷能级介导光生电子的传输过程,抑制了光生电子和空穴的复合,显著降低了荧光信号强度。氧气通过路易斯酸碱相互作用的方式吸附在氧空位上,化学吸附的氧构建了一种活化氧气的快速通道,降低了氧气分子活化至超氧自由基的能量。R-PI在300 m W cm-2的白色光照射下,具有最高的光催化苄胺氧化活性,反应转化率为90.5%。在50 m W cm-2的绿光照射下,D-PI的转化率为4.8%,R-PI的转化率是D-PI的4.2倍。R-PI光催化苄胺氧化的机理为:在可见光照射下,苄胺被光生空穴氧化生成阳离子自由基中间体,然后与氧空位活化生成的超氧自由基结合释放双氧水生成亚胺中间体,亚胺中间体与苄胺偶联生成最终的亚胺产物。
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