有机含硼共轭聚合物的光催化水解产氢的研究
潘效波教授课题组成员由汝成龙、吴铉、陈培研组成。主要围绕有机含硼共轭聚合物的光催化水解产氢的研究展开。光催化裂解水制氢是获得氢能的有效手段之一，其中光催化剂是高效获得氢能的关键。因此光催化剂的设计和合成已经成为光催化领域的重要研究方向。然而光催化剂普遍存在带隙宽、太阳光利用率低和光电转换效率低等问题亟需解决。最近有机共轭聚合物因其优异的光吸收效能力、可调谐的能带结构以及可控合成等独特优势而经备受关注。含硼共轭聚合物由于硼元素的缺电子特性导致CT过程的发生，影响光生电子和空穴的分离和迁移，这些特点有助于它们成为优异的裂解水产氢光催化剂。据此，我们系统性地考察了三芳基硼体系和硼氮体系（图1）的光物理性质、电子结构和分子结构等对光催化产氢性能的影响。同时，研究了它们光解水析氢的机理以及过渡态的形式，实现了含硼有机共轭聚合物光解水析氢过程的深层次探索，从而进一步指导和优化含硼光催化剂的设计和合成。简要概括为：
图1. 三芳基硼体系和硼氮体系的代表性的光催化剂
(1) 发现了含硼共轭聚合物的光催化水裂解产氢性能，拓展了水裂解产氢光催化剂的体系。首次将D-A型含硼聚合物应用于光催化水裂解产氢体系并证实了硼元素对光催化水裂解产氢的促进作用，研究了它们的光催化水裂解产氢的能力，探索了含硼寡聚物/聚合物光催化水裂解产氢机理，发展了新的光催化水裂解催化体系。
(2) 揭示了多重梯度能级对有机共轭聚合物光催化剂的产氢性能的促进作用。将由二苯并硫砜单元构筑的共轭骨架中引入二级受体单元有机硼基团制备了A-π-A型聚合物，发现其光催化裂解水产氢的性能明显优于π-A和D-π-A型等其他类型的共轭聚合物，其原因归属于多重梯度能级促进了光生电荷和空穴的分离能力，进而提升了聚合物光催化剂的产氢性能。该策略有助于高效聚合物光催化剂的设计和构筑。
(3) 确立了B←N配位键对光催化裂解水产氢活性的增强作用。B←N配位键引入到共轭聚合物骨架中能够增加分子的极性、降低激子结合能、促进强内建电场的形成、进而增强光生电荷和空穴的分离和传输能力，提升聚合物的光催化裂解水产氢能力。这种构筑模式拓展了有机聚合物光催化剂体系，有力地推动含硼有机共轭聚合物光催化剂的研究和开发。
围绕有机含硼共轭聚合物光催化剂性能提升这一主题，完成了由首次发现时223 μmol g-1 h-1的产氢速率到现在的22350 μmol g-1 h-1，已经达到了有机聚合物光催化剂产氢性能的最前沿水平。此类催化剂的发展和设计拓宽了有机聚合物光催化剂的研究范围，形成了一类独具特色的研究课题。至今已发表相关的SCI论文4篇，申请了专利1件。所发表论文已经受到国际和国内同行的肯定和认可，其中部分论文已被其他高质量期刊论文和综述多次引用和评述。
相关工作发表于：
ACS Energy Lett. 2020, 5, 669;
Macromolecules 2021, 54, 8839;
Small 2021, 2100132;
ACS Appl. Energy Mater. 2022 （doi.org/10.1021/acsaem.2c00017）
授权专利：
一种含B←N配位键的有机共轭聚合物光催化剂及制备方法、应用（202210173445.4）
