Rational Design of Conjugated Microporous Polymer Photocatalysts with Definite D−π–A Structures for Ultrahigh Photocatalytic Hydrogen Evolution Activity under Natural Sunlight

共轭微孔聚合物 光催化 微型多孔材料 共轭体系 催化作用 聚合物 光化学 材料科学 噻吩 化学工程 化学 有机化学 复合材料 工程类
作者
Changzhi Han,Sihui Xiang,Shenglin Jin,Chong Zhang,Jia‐Xing Jiang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (1): 204-212 被引量:100
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c04993
摘要

Organic polymers with conjugated architectures have been widely exploited as photocatalyst materials for hydrogen generation. However, it is still an enormous challenge to develop photocatalysts with high hydrogen generation activity under natural sunlight, which is pretty significant for practical applications. Herein, two conjugated microporous polymer photocatalysts with definite D−π–A structures are designed and prepared using dibenzo[g,p]chrysene or pyrene with planar conjugated architecture as electron donors, thiophene as a π-spacer, and dibenzo[b,d]thiophene-S,S-dioxide as an electron acceptor. Benefiting from the efficient separation of light-generated electrons/holes due to the definite D−π–A structure and the broad light absorption range, the bare polymer Py-TP-BTDO could deliver a high photocatalytic hydrogen evolution rate (HER) of 115.03 mmol h–1 g–1 upon exposure to visible light (λ > 420 nm). Impressively, the outdoor photocatalytic experiment reveals that abundant and continuous hydrogen bubbles could be produced fast and visually observed under natural sunlight by the Py-TP-BTDO polymer film with a large active area of 120 cm2. A water-drainage experiment further demonstrates that 1224 mL of hydrogen gas could be produced by 25 mg of a polymer photocatalyst with 3 wt % Pt cocatalyst under natural sunlight in 7 h, corresponding to a high HER of 312.24 mmol h–1 g–1, which represents the state of the art of organic photocatalyst materials to date. The high photocatalytic activity under natural sunlight suggests the potential of the developed Py-TP-BTDO polymer photocatalyst in the practical applications for photocatalytic hydrogen production.
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