华中农业大学在CO2光化学还原领域研究取得新进展

来源：化学加

导读

近日，华中农业大学理学院陈浩教授领衔的“先进材料与绿色催化”团队与日本国立材料研究所叶金花教授合作，在Nature Communications在线发表了题为Intermolecular cascaded π-conjugation channels for electron delivery powering CO2 photoreduction的研究论文，该研究首次报道了聚合物分子内-分子间“双重共轭”效应的调协机制，创造性的构建了载流子传递的“高速路”，提出了促进载流子传递助力CO2光还原的新策略，为通过利用太阳能控制全球碳平衡提供了有效路径。

跳转阅读→疫情期间，化学加网企业包年套餐买一年赠多一年当前，全球的燃烧化石燃料产生的CO2的年排放量高达368亿吨，而现有的CO2转化技术通常需消耗大量电力资源，且伴随有额外的温室气体排放。开发基于太阳能光催化技术实现清洁、廉价的CO2资源化利用，对应对全球气候变化及获取廉价和清洁能源具有重大战略意义，也是当前能源环境研究领域的前沿。然而，受制于光生载流子的传递效率，现有的光催化CO2还原反应效率低下，尚不能令人满意。如何实现高效的光生载流子定向转移不仅是当前光催化领域研究的难点，也是提升光催化CO2还原反应效率的关键。

基于此，华中农业大学理学院陈浩教授领衔的“先进材料与绿色催化”团队与国内外多家科研机构展开科研合作，以选取共轭聚合物为催化剂，通过结构设计调控，获得了具有强共轭体系的聚合物及消除不饱和炔基后的弱共轭体系聚合物。研究发现，消除作为分子内电子传输“桥梁”的炔基后，光生载流子更容易在局部累积，进而与CO2还原助催化剂的电子云发生交错，优化分子间π-π堆砌作用。上述针对共轭聚合物的分子内-分子间共轭作用的调协效应，可构筑基于π-π堆叠作用的分子间载流子传输“通道”，并在光催化过程中，将共轭聚合物受光激发产生的电子由分子内无序传递调整为分子间定向转移，从而使定向转移的电子通过助催化剂的金属中心持续向CO2分子注入电子，进而实现CO2还原。该研究首次通过理论计算和瞬态光谱技术揭示了共轭聚合物“双重共轭”的可控协调性，揭示了通过非共价健相互作用途径增强电荷转移的证据和机理。改性聚合物通过去除电子传输“桥梁”炔基，成功阻止了电子离域，并利用分子间建立的传输“通道”将局域化电子定向转移至活性位点，因而表现出很高的CO2还原效率（CO产生速率高达2247 μmol·g-1 h-1），比未经修饰的聚合物活性提高了138倍。通过调控 “双重共轭”效应建立的CO2光还原体系，为解决光催化反应中载流子定向传递这一关键问题提供了新思路，对后续建立高效的光催化CO2光还原体系具有重要科学价值。华中农业大学理学院汪圣尧副教授、丁星副教授、日本国立材料研究所海晓博士、华中科技大学金尚彬副教授为论文共同第一作者，华中农业大学理学院陈浩教授和日本国立材料研究所叶金花教授为论文共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、日本文部省科研经费、湖北省自然科学基金及校自主创新基金的资助。