科研动态

国科大博士生导师刘健团队合作开发功能酚醛树脂光催化剂用于长期高效光合成H2O2

  •   近日,国科大博士生导师、大连化物所催化基础国家重点实验室微纳米反应器与反应工程学创新特区研究组(05T7组)刘健研究员团队与复旦大学/内蒙古大学武利民教授团队合作,在环境条件下开发了一种苯并噁嗪基酚醛树脂光催化剂(APFac)。该催化剂在可见光照射及不添加牺牲剂的条件下,表现出较高的H2O2产率和长期稳定性(>72h)。APFac光催化剂的制备避免了昂贵的前体以及繁琐、危险的有机合成过程,具有工艺放大潜力。

      基于H2O和O2转化的可持续光催化H2O2生产工艺近几年备受关注,目前,关于酚醛树脂辅助光催化产生H2O2的研究主要依赖于高温水热处理后的间苯二酚—甲醛树脂(即RF523)材料,这对合成条件提出了严格的要求,复杂水热过程的“黑匣子”也会增加分析材料结构的难度。此外,在聚合物光催化剂的设计中,分子结构涉及的催化反应动力学(例如,反应物或中间体的吸附)很容易被忽略。因此,无论从合成技术还是催化反应途径,都需要高性能光催化剂的迭代。

      本工作中,团队以间氨基苯酚和甲醛作为聚合物前驱体,在室温下简便合成了一种具有苯并噁嗪结构的酚醛树脂光催化剂APFac,以替代RF523实现长期光催化生产H2O2。该简单易行的聚合路线可实现精确分析分子结构。多种表征和理论计算表明,苯并噁嗪结构被认为是APFac中关键的光催化活性片段。酚醛树脂中苯并噁嗪结构含量的减少和高温下结构的破坏都会降低反应活性,证明了苯并噁嗪结构的优越性。苯并噁嗪结构具有良好的光生电荷分离能力,并且在逐步单电子氧还原过程中,其对O2及中间体的优异亲和力及其低能垒的反应路径在动力学上加速了反应。该工作为无金属聚合物光催化剂的从头设计和结构分析带来了新启示。

      刘健团队长期致力于酚醛树脂纳米材料的合成策略创新及光催化生产H2O2应用研究,取得了系列代表性成果:发展了化学剪裁策略有效调控酚醛树脂微球的形貌及内部结构(ACS Nano,2022;Adv. Mater.,2022);从分子尺度有效调控酚醛树脂微球的功能基团分布和电子给体/受体比例,促进电荷分离(Angew. Chem. Int. Ed.,2023);模拟叶片结构开发具有介孔通道的酚醛树脂基三明治结构,增强电子传递和传质能力,提升光催化生产H2O2效率(Adv. Funct. Mater.,2023)等。

      相关研究以“Ambient Preparation of Benzoxazine-based Phenolic Resins Enables Long-term Sustainable Photosynthesis of Hydrogen Peroxide”为题,发表在《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上。该工作的第一作者是大连化物所05T7组博士研究生王昕尧。以上工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。

      文章链接:https://doi.org/10.1002/anie.202302829

    责编 :韩明瑞