[发明专利]侧链悬挂生物碱基的有机共轭聚合物光催化剂

说明书

本发明公开了侧链悬挂生物碱基的有机共轭聚合物光催化剂，属于材料技术领域。该类有机共轭聚合物光催化剂的侧链悬挂有生物碱基，在光催化制氢过程中：1)、生物碱基有效地将光催化剂所激发的电荷传输出去，从而有利于提升制氢效率；2)、生物碱基含有丰富氮原子，可与水分子形成氢键，有利于聚合物在水中分散度，提高与水接触面积，从而有利于提升制氢效率；3)、该类聚合物光催化剂在多数有机溶剂不溶，因而有利于回收利用，非常适合做制氢光催化剂材料。本发明侧链悬挂生物碱基的有机共轭聚合物成功用于光催化制氢实验，并在无需添加任何助催化剂情况下得到较高制氢效率。

技术领域

本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种侧链悬挂生物碱基的有机共轭聚合物光催化剂。

技术背景

随着社会快速发展，能源短缺和环境污染问题日益凸显，成为当前人类急需解决的重大问题，也是我国可持续发展战略必须攻克的重大课题。世界各国也正在将环境友好型可再生能源作为各自的战略决策。氢能作为一种清洁、高效、无污染的绿色能源，是未来解决能源危机和环境污染问题的最有效方法之一。在众多制备氢气方法和途径中，利用半导体在太阳光源下光催化分解水制氢是最理想和最有前景的技术。

对光催化制氢的研究已有数十年，早期研究主要集中在对光催化剂TiO₂上[Nature,1972,238:37-38]，但由于其响应波短、光催化活性低以及太阳能转化效率差等因素，通常需要负载贵金属或金属氧化物等助催化剂来提升制氢性能，这大大增加了成本[Nature,1980,286:474-476]。随后很多研究者重点开发了金属氧化物或复合物等多种类型光催化剂[Adv Mater,2012,24:229-251]，大大提升了光催化效率，但这些催化剂的催化活性主要在紫外光区才能体现，而紫外光在太阳光中只有不到5％，大大低于太阳光中的可见光占有率43％。因此，要实现利用太阳光光催化制氢技术的商业化应用，开发吸收可见光光催化制氢的新材料是必由之路。

相对于无机半导体光催化剂的研究，有机半导体光催化剂的研究相对较少。由于有机半导体具有合成方法无穷无尽、便于功能化修饰、电学性质和光学性质易于调控等优势，使其在光催化制氢领域脱颖而出，具有重大的发展前景。目前，开发的用于光催化制氢的有机半导体材料主要有线性共轭聚合物光催化剂、有机共轭微孔聚合物共催化剂、氮化碳聚合物光催化剂、共价三嗪框架聚合物光催化剂、共价键合有机框架聚合物光催化剂、水醇溶性有机共轭光催化剂。这些有机半导体光催化剂表现出优异的性能，特别是在可见光区，表现出较好制氢效果，这是很多无机半导体无法实现的。

虽然有机半导体具有很多优势，但目前产氢效率仍相对较低，并且很多有机半导体需要添加Pt助催化剂来维持较高催化性能。另外，一方面为有利于材料处理及回收，科研人员开发出一系列不溶于普通有机溶剂和水的有机聚合物，但这阻碍了催化剂与水的接触性，不利于产氢性能的提高；另一方面，科研人员又开发出一系列可溶于普通有机溶剂，甚至溶于水的有机聚合物，虽然提高了与水的接触面积，提升了产氢效率，但总体效率依然很低，并且这类水溶性材料非常不利于光催化剂的回收再利用，阻碍了实际应用的发展。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明提供了一种侧链悬挂生物碱基的有机共轭聚合物半导体材料，提升了共轭聚合物材料光催化制氢性能。

该类聚合物材料的侧链悬挂有生物碱基：一方面，可有效将聚合物所激发的电荷传输给水分子，提升制氢效率；另一方面，生物碱基含有丰富的氮原子，可与水分子形成氢键，有利于聚合物在水中的分散度，提高与水的接触面积，从而提升制氢效率；更重要的是，该类有机半导体材料，在不添加Pt助催化剂情况下得到较高制氢效率，大大降低催化实验的成本，具有重要意义。

为实现上述目的，本发明通过以下方案实现：一种侧链悬挂生物碱基的有机共轭聚合物，具有如下结构式：

其中，P为芳香共轭单元，A为生物碱基；m为0～28。