馮新亮教授&張健教授Angew. Chem. Int. Ed. ：共軛炔烴聚合物的分子設計，使無助催化劑的光電化學水還原制氫反應更高效

kv1004 4年前 (2019-06-15) 4515瀏覽

【引言】

無機光電陰極，例如硅、金屬氧化物、金屬硫化物，經常出現在關于光電化學水還原制氫反應的文獻中。然而，無機光電陰極的禁帶寬度難以調節、貴金屬助催化劑的使用和嚴重的光腐蝕阻礙了無機光電陰極參與實際光電化學制氫反應。有機光電陰極的禁帶寬度、禁帶位置與析氫標準電勢的不匹配和緩慢的產氫動力學，導致它們在光電化學制氫領域的發展遠遠落后于無機光電陰極。共軛聚合物最近成為新型的光電化學制氫陰極材料，但它們產生的陰極光電流即使在鉑助催化劑的作用下也非常低，遠小于無機光電陰極的光電流。

【成果簡介】

德累斯頓工業大學馮新亮教授和西北工業大學張健教授（共同通訊作者）提出了共軛炔烴聚合物的分子設計策略。他們發現共軛炔烴聚合物的噻吩基單體代替苯基單體后，能增強對光的吸收促進電荷的分離及傳輸，并且碳碳三鍵能被活化成高活性的活性位點以催化光電化學制氫反應。基于此，在泡沫銅上所制備pDET膜（pDET/Cu）的光電流密度在模擬太陽光照條件下是pDEB 的3.7倍，達到370μA/cm2，高于先前報道的無助催化劑的有機光電陰極和很多無機光電陰極。相關成果以“Molecular Engineering of Conjugated Acetylenic Polymers for Efficient Cocatalyst-free Photoelectrochemical Water Reduction”為題于近日作為VIP論文發表在國際著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【圖文導讀】

圖1.共軛炔烴聚合物的制備、形貌和化學結構

a)pDET的制備的示意圖

b,c)pDET/Cu的SEM圖。圖c的插圖是pDET/Cu的側視圖

d)pDET納米片的TEM圖

e) pDEB、pDEN、pDTT和 pDET的化學結構與相應的靜電勢表面

圖2.共軛炔烴聚合物的光學性能和電學性能

a) pDEB、pDEN、pDTT和 pDET的光的吸收的示意圖

b)pDEB、pDEN、pDTT和 pDET的禁帶位置示意圖

圖3.共軛炔烴聚合物的光電化學性能

a)pDEB/Cu、pDEN/Cu、pDTT/Cu和pDET/Cu 有和沒有在光照條件下的極化曲線圖

b)pDEB/Cu、pDEN/Cu、pDTT/Cu和pDET/Cu 的光電流-光照時間關系圖

c)pDET/Cu的光電轉換效率-光的波長關系圖

d)pDET和其它光電陰極材料的性能對比

圖4.共軛炔烴聚合物的原位電化學拉曼光譜

a)pDET在不同電勢下的拉曼光譜

b)pDET在不同電勢下的差分拉曼光譜

c)不同電勢下，pDET拉曼峰的強度

d)不同電勢下，pDEB、pDEN、pDTT 和pDET的碳碳三鍵對應拉曼峰的強度

圖5. pDET 的DFT計算

a)pDET的不同活性位點的制氫反應自由能

b)pDET的制氫反應機理示意圖

【小結】

研究團隊報道了使無助催化劑的光電化學水還原制氫反應更高效的共軛炔烴聚合物的分子設計策略。由于噻吩基單體使共軛炔烴聚合物的電子重新分布，因此共軛炔烴聚合物pDET與苯基單體的共軛炔烴聚合物pDEB 、 pDEN相比，可吸收光的波長范圍變大，電荷分離速率變快。而且，噻吩基單體的碳碳三鍵能加快光電化學制氫反應的反應速率。因此，pDET膜（pDET/Cu）的基準光電流密度在同樣的光照條件下是pDEB 的3.7倍，光電轉換效率可以達到12.6%。這項工作提出的分子設計策略不僅可以應用在水還原制氫反應中，而且可以應用在其它的光電催化反應中，例如CO2還原、N2還原和人工光合作用。

文獻鏈接：Molecular Engineering of Conjugated Acetylenic Polymers for Efficient Cocatalyst‐free Photoelectrochemical Water Reduction（Angew. Chem. Int. Ed.，2019，DOI：10.1002/anie.201904978?）

團隊介紹：

馮新亮教授目前任職于德累斯頓工業大學，擔任分子功能材料實驗室主席。馮新亮教授于2001年獲得中國地質大學學士學位，2004年獲得上海交通大學的碩士學位，2004年12月加入馬克斯普朗克研究所，師從德國科學院院士Mullen教授，并于2008年獲得博士學位；2007年12月被聘為馬克斯普朗克研究所課題組組長；2014年加入德累斯頓工業大學。馮新亮教授目前的研究主要集中在石墨烯基二維納米材料和低維納米結構的功能性碳材料以及用于能量存儲和轉換的復合材料。目前為止，馮新亮教授以第一作者和通訊作者在 Nature, Science, Nat. Chem., Nat. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew, Chem. Soc. Rev., Adv. Mater.,等頂尖學術雜志上發表超過500篇論文，被他引超過43000次。馮新亮教授獲得了很多國際獎項，包括第三屆歐洲青年化學家獎（2009年），IUPAC年輕化學家獎（2009年），英國皇家學會會士（2014），高被引學著（2014-2017年）Small青年創新獎（2017年），漢堡科學獎（2017年），歐洲科學院院士（2019）。同時，馮新亮教授也是很多學術期刊的顧問委員會成員，如Journal of Materials Chemistry A, ChemNanoMat, Energy Storage Materials, Small Methods and Chemistry-An Asian Journal等。張健，教授，博導，入選中組部人才計劃，目前任職于西北工業大學理學院，2014年博士畢業于中國科學院大學山西煤炭化學研究所。2014-2017年先后在德國馬普高分子研究所和德累斯頓工業大學進行博士后研究。2018年在德累斯頓工業大學分子功能材料研究所擔任能源研究課題組長。2019年加入理學院應用化學系。目前研究方向為氫能催化材料與器件：通過界面效應、基底效應、材料結構和活性位點設計，促進氫能催化反應的動力學過程，制備高效、廉價、穩定的氫能催化材料及器件系統。迄今共發表學術論文37篇，撰寫Wiley英文專著1章，獲授權發明專利3項。其中，第一作者和通訊作者論文20篇，包括Nat. Commun. (1篇)、 Angew. Chem. Int. Ed. (2篇)、 Adv. Mater. (7篇)、Energy Environ. Sci. (1篇)、Adv. Energy Mater. (1篇)、Nano Energy(1篇)、Joule(1篇)等，影響因子高于12的論文13篇； 1篇論文入選ESI熱點論文，9篇論文入選 ESI高被引論文。SCI引用次數>2000次，H因子為20。團隊誠邀各層次人才加盟，包括準備副教授、博士后、博士生、碩士生、聯培生。同時，張健教授團隊和馮新亮教授團隊聯合招收博士后，工作優秀者可在德累斯頓工業大學工作半年。

團隊在該領域的工作匯總：

  1. https://www.nature.com/articles/s41467-018-03444-0
  2. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201900961
  3. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201904978

本文由kv1004供稿。

 

標簽：
分享到