[发明专利]一种共轭聚合物纳米粒子光催化剂、制备方法及其应用

说明书

一种共轭聚合物纳米粒子光催化剂、制备方法及其应用，属于聚合物光催化剂技术领域。其是将共轭聚合物和功能化聚合物的四氢呋喃溶液1～20mL在超声下快速注射到5～100mL水中并且继续超声1～5分钟；在惰性气体的保护下，将上述溶液加热至80～100℃除去四氢呋喃，继续加热浓缩至2～20mL，再用200～220nm滤头过滤除去大的颗粒，得到共轭聚合物纳米粒子光催化剂；通过调整初始溶液的浓度和注射体积，获得共轭聚合物纳米粒子的尺寸范围为5nm～100nm。本发明的优点是操作简便，步骤少，光催化材料制备成本低，制备过程环保，不含金属；在紫外可见光区域内具有良好的光吸收特性，能利用太阳光进行环境净化，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于聚合物光催化剂技术领域，具体涉及一种共轭聚合物纳米粒子光催化剂、制备方法及其在环境保护或太阳能制氢中的应用。

背景技术

随着现代工业的发展，能源资源逐渐减少，环境污染日益严重。能源短缺和环境污染是21世纪人类面临和亟待解决的重大问题。因此，开发利用可再生新能源和控制治理环境污染对发展国民经济、实现可持续发展战略具有重大的意义。在自然界中，维持地球上人类生存所需要的食物、氧气、化石燃料也绝大部分是通过绿色植物和微生物的光合作用把太阳能转化为化学能。在能源危机和环境问题的双重压力下，太阳作为取之不尽，用之不竭的能源，具有广阔的应用前景。1972年，Fujishima和Honda在n型半导体TiO₂电极上发现了水的光电催化分解作用，开辟了半导体光催化这一新领域，为人类开发利用太阳能开辟了崭新的途径(Nature 1972,238(5358),37-38.)。光催化技术的两个重要应用是分解水产生氢能和降解环境污染物。光催化剂是光催化技术应用的关键。因此，光催化领域的研究焦点在于开发新型高效的光催化剂。从实际大规模化应用的角度考虑，一个理想的光催化剂应价格低廉、具有可持续性、稳定性高和具有高效的光驱动能力以利用太阳光谱中的主要部分。

目前研究的光催化体系包括均相和多相体系。均相光催化体系主要研究的是金属有机配合物光催化剂，如Pt、Ru的有机配合物。这类材料具有光催化活性高和表征容易等优点，但也存在稳定性较差和不易回收等缺点，主要用于深入研究光催化反应机理和作用机制。多相光催化体系主要研究的是半导体光催化材料，它包括金属氧化物、金属氮化物、金属硫化物和聚合物等，具有材料种类丰富、易回收等优点，在实际应用方面相对来说更具有优势。其中聚合物光催化材料由于具有原料来源丰富、价格低廉、制备工艺简单、且便于分子设计，是一种理想的光催化候选材料。在聚合物家族中，共轭聚合物是一类具有半导体性质的聚合物。它们具有与无机半导体类似的能带结构，由成键轨道组成的价带和反键轨道组成的导带以及成键与反键轨道之间的能隙构成的禁带。共轭聚合物的带隙是由电子轨道的共轭程度所决定的，其带隙宽度一般在1.5eV到3.0eV之间，能够很好的吸收可见光甚至近红外范围的光。例如有机半导体材料-石墨相氮化碳(g-C₃N₄)，在可见光照射下能有效的分解水制氢和产氧。这个研究为人工半导体聚合物作为能源转换器进行光合作用开辟了一条全新的途径(Nature Materials2009,8(1),76-80.)。此外，共价有机骨架材料由于其独特的孔结构和高的稳定性，在近年引起广泛的关注。除了在气体存储方面的应用外，最近被发现可用作异相光催化剂。江东林等最近报道了一类通过方酸连接的铜卟啉共价有机骨架材料能在可见光下光催化活化分子氧生成¹O₂(Angewandte Chemie InternationalEdition2013,52(13),3770-3774.)。虽然这些方法得到光催化剂具有很好的光催化性质，但是这些有机光催化材料都必须经过复杂的有机合成步骤，而且产量不高。因此开发低成本且易操作的以制备具有高效光催化活性的有机材料光催化剂，对光催化领域的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种共轭聚合物纳米粒子光催化剂、制备方法及其应用，该光催化剂的制备方法简便易行，且纳米粒子的粒径可以方便的通过投料的比例来进行调节。