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Angew. Chem. :分子層面增強D-σ-A半導體內載流子傳輸速率以實現高效光催化氧化2023-07-27
憑借原料來源廣、高循環穩定性和催化劑易于分離的優勢,基于有機半導體的光催化技術正在成為一種可持續和有前景的策略去解決能源危機和環境問題。但本征的高激子結合能又使有機半導體的載流子分離和傳輸效率很低,從而嚴重制約了其光催化效率。在報道的有機半導體中,研究者對提高其載流子分離效率方面做了大量的工作,關于提高載流子傳輸方面關注則很少,而這在無機半導體中已被深入研究。

近日,清華大學的朱永法教授團隊和陳晨教授團隊合作,發展了一種獨特的σ-linkage長度調控方法,通過晶體工程縮短D-σ-A半導體內的π-π堆積間距,進而增強內部的載流子傳輸速率和光催化氧化性能,從分子層面理解和調控了有機半導體內的載流子傳輸路徑和速率;并結合微通道反應器和固定床反應器,探究了有機光催化劑在實際污染物降解的應用潛力,實現了可見光下、表觀水動力負荷為44.73 L/m2/h的苯酚污水高效降解和高達50小時以上的循環穩定性。

 

 

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本工作可控合成了三種高結晶性、具有不同σ-linkage長度的PDI基D-σ-A半導體,并通過粉末XRD解析結合Rietveld精修的方法準原位確定了三種難溶的PDI衍生物的晶體結構。不同的σ-linkage長度改變了Donor和Acceptor部分的空間位阻,進而對與載流子傳輸息息相關的π-π堆積間距實現了調控。

2
隨著π-π堆積間距的減小,載流子的有效電荷轉移積分顯著增大,電荷傳輸阻力減小,光生電子更易傳輸到表面與氧氣反應生成更多的超氧自由基,對應的載流子遷移率和有效擴散距離也更大,從而有效增強載流子傳輸速率。

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將π-π堆積間距最小、載流子傳輸速率最高的C2IPDI應用于光催化污染物降解和水氧化方面,可以實現3.96 h?1的苯酚降解速率(間歇性反應器)和2.49 mmol g?1?h?1的光催化產氧速率(無任何助催化劑),降解速率超越了絕大多數已報道的有機和有機無機雜化光催化劑。此外,C2IPDI在光催化污染物降解方面也表現出極佳的應用潛力,結合微通道反應器后,可以實現高通量的污染物處理能力,高達44.73 L/m2/h,同時保持50h以上的連續降解。

文信息

Enhancing Carrier Transport via σ-linkage Length Modulation in D-σ-A Semiconductors for Photocatalytic Oxidation

Weixu Liu+, Chang He+, Sijie Huang+, Kunfeng Zhang, Wei Zhu, Liping Liu, Zijian Zhang, Enwei Zhu, Yu Chen, Chen Chen*, and Yongfa Zhu*

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202304773

 

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