近日，化學與化工學院課題組聯合美國懷俄明大學Maohong Fan教授和美國西北大學Harold H. Kung教授在國際化學類頂級期刊《Journal of the American Chemical Society》上在線發表了題為《Core–Shell Covalently Linked Graphitic Carbon Nitride–Melamine–Resorcinol–Formaldehyde Microsphere Polymers for Efficient Photocatalytic CO2 Reduction to Methanol》的研究論文(https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c13301?ref=pdf)。南京理工大學為第一完成單位和通訊單位。

圖1 氮化碳-非晶態有機聚合物光催化劑作用機制

      近年來，CO₂光催化制甲醇(CO₂ + H₂O = CH₃OH + 3/2O₂)受到了廣泛關注，其被認為是實現碳中和的理想戰略。有機聚合物光催化劑由于其成本低、地球豐度高被廣泛研究。晶態有機聚合物例如氮化碳、有機共價聚合物等在光催化CO₂還原制甲醇領域取得了很大進展。但是，非晶態聚合物由于其配體間的各向異性，導致其HOMO和LUMO電子分離困難，在光催化領域的研究和報道較少。本文擬采用晶態有機聚合物氮化碳與非晶態有機聚合物MRF復合，促進其電子和空穴分離，促進其光催化活性。

 

圖2 氮化碳-非晶態有機聚合物光催化劑結構圖

      本研究使用具有有吡啶環擴展共軛體系的有機聚合物氮化碳和三聚氰胺-間苯二酚-甲醛(MRF)聚合物反應形成核殼結構，其內部為氮化碳，外部主要由MRF組成。MRF有利于CO2的吸附、活化和光催化還原，氮化碳有利于光-電轉化和水氧化，電子需要穿過氮化碳和MRF的界面，實現CO2還原。氮化碳和MRF之間形成了碳氮共價鍵，有利于電子從氮化碳向MRF轉移，消除了電子傳輸壁壘，促進了電子傳輸和CO2還原。通過理論計算和實驗分析發現，氮化碳和MRF之間形成了較好的銜接，兩者復合后電子離域增大，形成了顯著的電子和空穴分離。

圖3 氮化碳-MRF復合材料電子和空穴分離路徑圖

      化學與化工學院丁杰老師為論文的第一作者，上海交通大學唐慶麗博士為論文的共同第一作者，本文通訊作者分別為化學與化工學院鐘秦教授、美國懷俄明大學Maohong Fan教授和美國西北大學Harold H. Kung教授。該研究工作主要由南京理工大學自主科研專項（30920041108）和國家自然科學基金（21908108）資助。