共轭有机聚合物涂层用于光催化NADH再生过程研究

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酶-光偶联人工光合过程作为一类典型的绿色生物制造过程,是解决能源短缺、环境危机等问题,进而实现“碳中和”的重要途径之一。然而,酶-光偶联人工光合过程通常需昂贵的辅酶NADH充当“能量货币”进行能量转移和物质转化。因此,构建绿色、高效的光催化NADH再生体系,是提升酶-光偶联人工光合过程总效率的关键。本论文基于“三合一”策略制备了共轭有机聚合物涂层,通过协同强化光催化过程中载流子产生、传递与利用三个步骤,实现了光催化NADH再生效率的显著提升,获得了绿色、高效的光催化NADH再生体系。主要研究内容如下:基于多巴胺仿生粘合特性,在氧化硅(Si O2)表面生长共轭有机聚合物(COP)涂层,通过COP中的联吡啶结构将(Cp*Rh Cl2)2还原反应助催化剂(Rh)固载到涂层中,制备了SiPP@COP-Rh涂层结构光催化剂。通过调控Si O2的加入量,实现了COP涂层厚度从12 nm到46 nm的可控制备,结合光电化学检测结果,揭示了不同涂层厚度对载流子产生、传递与利用的影响规律;通过调控Rh的作用方式和含量,结合反应动力学计算结果,揭示了Rh的引入对载流子产生、传递与利用的影响规律,实现了光催化NADH高效再生体系构建。在可见光照射下,SiPP@COP-Rh的NADH再生初始反应速率达到4.48 mmol g-1 h-1,转化频率达到44.8 h-1,与SiPP@COP和体相COP相比分别提升了1.69倍和3.46倍。基于光催化剂能级匹配原则,以固载有Co(NO3)2氧化反应助催化剂(Co)的酚醛树脂(Co-RF)为内核,在其表面生长共轭有机聚合物(COP)涂层,制备了Co-RFP@COP核壳结构光催化剂。通过调控Co-RF的加入量,制备了不同比例的光催化剂,结合能带结构分析,揭示了不同比例光催化剂对载流子产生、传递与利用的影响规律;通过调控Co的作用方式和类别,在以水为牺牲剂的条件下,揭示了Co的引入对载流子产生、传递与利用的影响规律,实现了绿色可持续的光催化NADH再生体系构建。在可见光照射30 min后,Co-RFP@COP的NADH再生效率为18.01%,与RFP@COP和COP相比分别提升了1.56倍和9.33倍。
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