[发明专利]用于高效光催化分解水产氧的新型组合物及其应用

说明书

本发明涉及用于高效光催化分解水产氧的新型组合物及其应用。本发明所述的光催化分解水的组合物包括苝酰亚胺类共轭小分子/聚合物光催化材料及金属纳米助催化剂。所述的共轭小分子/聚合物光催化材料具有良好的水溶性及和合适的能级，并且与金属纳米助催化剂能够较好结合在一起，发挥较好的催化性能。本发明所述材料及其组合物能够高效催化水分解产氧。与现有技术相比，本发明提供的材料及组合物能够极大地提高产氧效率。

技术领域

本发明涉及光催化领域，具体涉及基于一类苝酰亚胺类共轭小分子/聚合物光催化材料以及金属及金属氧化物、硫化物、磷化物的组合物及其制备方法在有机光催化产氧中的应用。

背景技术

目前，世界能源需求在很大程度上依赖石油、煤炭和天然气等正在迅速枯竭的化石燃料，这不仅使得能源短缺问题越来越严重，同时也带来了环境污染、温室效应等一系列恶劣影响。在这种情况下，开发新型的清洁可持续能源成为了必要。利用太阳光照将水分解为氧气和氢气的光催化过程，可以持续生产和储存化学燃料并进行绿色能源循环，受到了广泛的关注。在水分解过程中，产氧反应是热力学吸能反应，需要巨大的活化能，反应动力学缓慢，需要同时转移4个电子和4个质子，因而被认为是一种更具挑战性的反应。因此，活性产氧光催化剂的研究在光解水研究中占有重要地位。

光催化材料应在较宽的光谱范围内具有较宽的吸收光谱，以吸收更多的阳光、提供足够深的HOMO能级以提供足够的产氧驱动力，并具有良好的光稳定性以维持长期的应用。此外，该系统中的每一组分应很好地结合在一起，以促进电荷转移和光催化产氧。然而，要达到上述所有条件具有很大的挑战性，设计良好的光催化材料并调节其与其他组分之间的相互作用是一个关键问题。

本专利着眼于解决目前产氧催化剂面临的难题，加入金属及其氧化物、硫化物、磷化物的纳米颗粒能有效促进空穴向水的传输，从而减少载流子复合，提高光催化制氢效率，提出采用苝酰亚胺类共轭小分子/聚合物，增强光催化材料与助催化剂的相互作用与电荷传输与分离，提高光催化产氧效率。

发明内容

本发明的目的在于设计并合成苝酰亚胺类共轭小分子/聚合物及金属及金属氧化物、硫化物、磷化物的组合物用于高效光催化产氧。

本发明技术方案如下。

用于高效光催化分解水产氧的新型组合物，包括苝酰亚胺类光催化材料以及金属纳米助催化剂；所述苝酰亚胺类光催化材料包括苝酰亚胺类共轭小分子光催化材料、苝酰亚胺类共轭聚合物光催化材料中的一种以上；所述苝酰亚胺类共轭小分子光催化材料和苝酰亚胺类共轭聚合物光催化材料，具有以下结构：

其中，n为小于100万的正整数；m＞1；R₁、R₂为中性胺基团或四级季铵盐基团，所述四级季铵盐中阴离子为氟、氯、溴、碘或三氟甲磺酸根、四氟硼酸根离子；R₃、R₄、R₅、R₆为烷基链，其中至少一条烷基链末端为中性胺基团或四级季铵盐基团，四级季铵盐中阴离子为卤素离子或碘酸根、硝酸根、三氟甲磺酸根、四氟硼酸根、四咪唑硼酸根离子；所述卤素离子包括氟离子、氯离子、溴离子或碘离子；A为共轭单元结构；X₁～X₈为氢、氟、氯、溴、碘原子。

进一步地，所述R₃、R₄、R₅、R₆为具有1～40个碳原子的直链、支链或者环状烷基链，其中一个或多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基，甲基，乙基，甲氧基、硝基取代，氢原子被氟原子或上述官能团取代；R₃、R₄、R₅、R₆相同或不同。

进一步地，所述的A为共轭单元结构，具有如下结构的一种或一种以上：