贵州大学陈鹏课题组CEJ观点：极性桥操控小分子供体受体激子离解与电荷分离用以提高光催化固氮效率- 大数跨境

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贵州大学陈鹏课题组CEJ观点：极性桥操控小分子供体受体激子离解与电荷分离用以提高光催化固氮效率

科学材料站

2022-04-19

导读：这项工作不仅为增强D/A界面的载流子传输提供了策略，而且拓展了PDI在光催化固氮中的应用研究。

文章信息

链工程操控PDI小分子受体的激子离解与电荷分离用以提高光催化固氮效率

第一作者：杨仕莲

通讯作者：陈鹏*，尹双凤*

单位：贵州大学，湖南大学

研究背景

氨是现代肥料，药品，纤维，炸药等的重要原料之一，与人类社会的发展息息相关。但是，目前广泛使用的Haber-Bosh工艺需要高温和高能量的输入。在最近几十年中，光催化固氮工艺已被证明是一种生产含氮化合物低能耗，可持续的方法。其中光催化剂是光催化固氮的核心。

Perylene-3,4,9,10-tetracarboxylicdiimide(PDI)因其性质稳定、可见吸收，受到了人们的广泛关注。但是该材料也存在载流子易复合、活性中心位点少等缺点。构建聚合物的受体-供体单元（D/A）是促进载流子分离的有效方法之一。然而，由于小分子强的库仑力作用，电子−空穴易在D/A界面复合。本文通过在小分子受体中嵌入极性桥，构建强的内建电场，促使载流子的定性迁移。

另外，极性桥的引入，也拓宽了材料的可见光吸收范围，表现出优异的近红外响应能力。这项工作不仅为增强D/A界面的载流子传输提供了策略，而且拓展了PDI在光催化固氮中的应用研究。

文章简介

在这里，来自贵州大学的陈鹏博士与湖南大学的尹双凤老师合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Bridges engineering manipulated exciton dissociation and charge separation in small acceptors of PDI supramolecular for boosting photocatalytic nitrogen fixation ”的观点文章。该文章通过极性桥的引入，极大改善了PDI光催化固氮效率。

本文要点

要点一：用一种简单的方法合成具有极性桥的催化剂(BOPDI)

Fig. 1.(a) Schematic for the synthesis of BOPDI, (b) SEM, (c-e) TEM and (f-h) elemental mapping images of BOPDI

PDI中引入的极性桥单元对载流子在D/A界面的传输起着至关重要的作用。本文以对苯二甲酸二酰肼作为供体嵌入PDI单元形成BOPDI聚合物。

要点二：经过修饰的极性桥扩大了内建电场

Fig. 3. (a) The surface potential detected with KPFM, (b) Zeta potential, (c) built-in electric field, (d) Surface electrostatic potential and molecular dipole of BOPDI

具有供体和受体(D/A)结构的PDI催化剂通过极性桥的构筑，增加了聚合物的分子偶极距，有利于活性中心电荷的再分配，从而产生内建电场。

要点三：极性桥促进了载流子转移和激子离解

Fig. 4. (a) temperature-dependent PL spectra of the corresponding catalysts of as-prepared samples as a function of temperature, (b) electrochemical impedance spectroscopy, (c) photocurrent responses and (d) Steady-state PL (λ_ex =380 nm) of as prepared samples.

内建电场的构筑促进了激子的解离和光生载流子的迁移。

要点四：BOPDI具有优异的光催化固氮效率和稳定性

Fig. 5.(a) NH₃ evolution rates over as prepared catalysts, (b) cycling test over BOPDI, (c) XRD patterns and, (d) FTIR spectra of B-PDI before and after five cycles for photocatalytic N₂ fixation.

BOPDI的固氮效率是原PDI的11倍，连续五次循环后没有明显的失活，说明BOPDI具有优异的稳定性。

前瞻

小分子供体和PDI受体之间嵌入的极性桥扩大了BOPDI内建电场，加快了光生载流子的传输和激子的离解。同时该极性桥调节了催化剂的带隙，将催化剂的光响应扩展到近红外区域，提高了光催化活性。这项工作为研究小分子受体-施主单元提供了新的思路。

文章链接

Bridges engineering manipulated exciton dissociation and charge separation in small acceptors of PDI supramolecular for boosting photocatalytic nitrogen fixation

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136084

通讯作者简介

陈鹏博士

陈鹏，贵州大学化学与化工学院，致力于光催化小分子转化、废水处理、重金属脱除等研究。以第一作者或通讯作者在CHEM ENG SCI, APPL CATAL B: ENVIRON, J MATER CHEM A, CHEM ENG J等学术刊物上发表多篇研究论文。

尹双凤教授

尹双凤，湖南大学化学化工学院二级教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，湖南大学科学技术研究院院长，先进催化教育部工程研究中心主任，湖南省第十三届人民代表大会常委、环境与资源保护委员会委员。入选教育部新世纪优秀人才计划、科技部中青年科技创新领军人才计划、国家万人计划、湖南省121创新人才培养工程第一层次人选。先后在北京化工大学、中石化石油化工研究院、清华大学获得学士、硕士、博士学位，随后在香港浸会大学和日本产业技术综合研究所进行博士后研究。主持国家自然科学基金、科技部863计划等多项课题项目，在化工材料、催化工艺、精细化学品绿色合成等领域取得了一批重要研究成果。已申请发明专利70余件，授权近50余件，部分成果已许可转让；在JACS、ACIE、AIChE J、CES等国际化学化工材料期刊上发表高质量论文250余篇。荣获湖南省自然科学奖一等奖、国家教学成果奖二等奖、中国石油与化学工业联合协会青年科技突出贡献奖、中国化工学会侯德榜青年科技创新奖、中国催化委员会均相催化青年奖、“湖南省优秀博士学位论文指导教师”等奖励与荣誉。兼任中国化学会催化委员会委员、中国能源学会能源与环境专业委员会副主任、中国离子液体专业委员会理事、湖南省催化与绿色化学专业委员会主任、《催化学报》、《过程学报》、《化工学报》等期刊编委等。