西湖大学徐宇曦JACS：原子薄结晶2D三嗪聚合物的绿色可扩展合成!

1

研究内容

具有适当带隙和单层厚度的结晶二维（2D）聚合物的可扩展和环保合成对于2D聚合物的基础研究和实际应用是非常需要的；然而，这仍然是一个相当大且尚未解决的挑战。

西湖大学徐宇曦研究员课题组报道了一种绿色而简单的策略，通过一种新的无溶剂盐催化腈环三聚工艺合成一系列厚度为~80 nm的结晶共价三嗪骨架纳米片（CTF-NSs），这使得能够在百克水平上大规模制备具有成本效益的结晶CTF-NSs。所获得的带隙为2.36 eV且富含三嗪活性基团的原子薄晶体2D TP在可见光照射下表现出1321 μmol h-1的显著光催化析氢速率，在420 nm下的表观量子产率高达29.5%，其超过了所有的分子框架材料，并且是有史以来报道的最好的无金属光催化剂之一。相关工作以“Green and Scalable Synthesis of Atomic-Thin Crystalline Two Dimensional Triazine Polymers with Ultrahigh Photocatalytic Properties”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

2

研究要点

要点1.理论计算和详细实验首次表明，KCl等传统盐不仅可作为物理模板促进纳米片形态的形成，而且可作为一种新型的绿色固体催化剂，通过盐晶格和腈单体之间的化学相互作用可以有效地催化腈单体的环三聚反应，获得结晶的CTF NSs。在简单的液相超声处理后，这些CTF NSs可以很容易地以高产率进一步剥离成大量的单层结晶2D三嗪聚合物（2D TPs）。

要点2.获得的带隙为2.36 eV且富含三嗪活性基团的原子薄晶体2D TPs在可见光照射下表现出1321 μmol h-1的显著光催化析氢速率，在420 nm下的表观量子产率（AQY）高达29.5%，其超过了所有的分子框架材料，并且是有史以来报道的最好的无金属光催化剂之一。

要点3.在一个太阳光照下，光催化整体水分解的太阳能-氢气（STH）效率为0.35%，优于所有基于CTF/共价有机框架（COF）的和有史以来报道的大多数无金属光催化剂。此外，这些可加工的超薄2D TPs可以很容易地组装在载体上，以制造光催化薄膜器件，其表现出优异的光催化活性（135.2 mmol h-1 m-2的析氢能力，远高于最近报道的各种薄膜器件）。

3

研究图文

图1.（a）基于聚合过程中盐晶格和腈单体之间的化学相互作用，提出的盐催化方法。（b，c）CTF-DCB NSs包覆的KCl盐颗粒的SEM和EDS。（d）CTF-DCB NSs的SEM。（e）CTF-DCB NSs的AFM，插图：高度图。（f）CTF-DCB NSs的PXRD。（g）DCB单体和CTF-DCB NSs的FT-IR。（h）CTF-DCB NSs的固态13C NMR光谱。（i）DCB单体和CTF-DCB NSs的TGA。（j）大批量制备CTF-DCB NSs的照片。

图2.（a）不同反应条件下环三聚反应的自由能图。（b）在无催化剂的环三聚反应中优化了不同状态的几何结构。（c，d）分别使用KCl和K2SO4作为催化剂在环三聚反应期间优化不同状态的几何结构。

图3.（a）CTF-NSs的剥离效率远高于大块CTF的示意图。（b）大规模2D-TP分散体的光学图像（10 L，～0.5 mg mL-1）。（c）2D-TP的TEM图像显示了2D-TP分散体的廷德尔效应。（d）单层2D-TP的AFM，插图：相应的厚度。（e）2D-TP厚度的统计分析。（f）2D-TP的HR-TEM。2D-TPs的（g）SAED和的标记的（100）衍射面。（h）2D-TPs的EDS。

图4.（a）可见光照射下（λ>420 nm）光催化析氢反应的时间历程曲线。（b）用于光催化析氢的2D-TP的可回收性测试。（c）与最近报道的具有代表性的CTF和COF光催化剂相比，本工作中2D-TP的析氢速率和AQY。（d）在纯水中可见光照射（λ>420 nm）下，2D-TP的光催化整体水分解的时间过程。（e）2D-TP在光催化整体水分解中的可回收性测试。（f）来自各种光谱分析的CTF-DCB NSs和2D-TP之间的带隙对准。（g）归一化瞬态吸收光谱的时间分布。（h）与最近报道的代表性无金属光催化剂（包括所有基于CTF和COF的光催化剂）相比，本工作中2D-TP的析气速率。

图5.（a）100、500、1000和5000 mL 2D-TP分散体的数码照片。（b）从最初的100、500、1000和5000 mL溶液中随机抽取的100 mL分散体的H2产生量和相应的AQY。测试结果基于每个样本的三次测量。（c）尼龙膜上2D-TP薄膜表面的SEM。（d，e）2D-TP膜的横截面的SEM。（f）不同质量负载的2D-TP光催化剂的光催化析氢速率（插图：相应薄膜的数字照片）。（g）2D-TP薄膜器件和其他先前报道的薄膜器件的光催化析氢速率。（h）2D-TP薄膜器件的循环稳定性。

4

文献详情

Green and Scalable Synthesis of Atomic-Thin Crystalline Two Dimensional Triazine Polymers with Ultrahigh Photocatalytic Properties

Congxu Wang, Pengbo Lyu, Zhong Chen, Yuxi Xu*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: 10.1021/jacs.3c02874

版权声明：「崛步化学」旨在分享学习交流化学、材料等领域的最新资讯及研究进展。编辑水平有限，上述仅代表个人观点。投稿，荐稿或合作请后台联系编辑。感谢各位关注！