پلیمر مزدوج در فتوکاتالیست

دسته: مقالات منتشر شده در 30 آذر 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 377

پلیمرهای مزدوج برای فتوکاتالیست نور مرئی

پلیمرهای مزدوج اخیراً به دلیل دارای بودن مزایای منحصر به فردی همچون هزینه کم، پایداری شیمیایی بالا و خواص نوری الکترونیکی قابل تنظیم مولکولی به عنوان جایگزین های امیدوارکننده ای برای نیمه هادی های معدنی سنتی در فتوکاتالیست به طور گسترده تحت بررسی قرار گرفته اند. در این بررسی انتقادی، پیشرفت‌های اخیر پلیمرهای مزدوج π را در فتوکاتالیست نور مرئی از جمله شکافت آب، کاهش CO₂، تبدیل آلی و تخریب رنگ‌های آلی خلاصه می‌کند. در اینجا بیشتر بر این نکته تاکید شده است که چگونه تغییرات در ساختار پلیمر می تواند بر خواص فیزیکوشیمیایی و فعالیت های فتوکاتالیستی آنها تأثیر بگذارد. این تحلیل رابطه ساختار-عملکرد در طراحی مولکولی پلیمرهای مزدوج را با هدف بهبود عملکرد فتوکاتالیستی بررسی می کند.

 

خورشید به عنوان یک "منبع انرژی" فوق العاده برای تابش مداوم نور خورشید به زمین شناخته می شود. به طور متوسط، انرژی خورشیدی که در هر ساعت به سطح زمین می رسد برای پاسخگویی به نیاز انرژی فعلی انسان در یک سال کامل کافی است. با وجود مزایایی همچون ارزان، فراوان و پاک بودن، استفاده بسیار کارآمد از انرژی خورشیدی به دلیل چگالی انرژی کم و همچنین ماهیت پراکنده و متناوب آن دشوار است. بنابراین، تبدیل نور خورشید به انرژی شیمیایی فرایندی مطلوب است که نشان دهنده راه حلی مناسب برای مقابله با چندین چالش پیش روی جهان امروز است. به عنوان مثال، تولید سوخت هیدروژن پاک با شکافت آب فتوکاتالیستی نویدبخش کاهش بحران انرژی جهانی است که آن هم به نوبه خود نوید انرژی پاک، تجدیدپذیر و سازگار با محیط زیست را می دهد. فعال کردن فناوری فتوکاتالیستی همچنین امکان کاهش CO₂ را به مواد شیمیایی با ارزش افزوده (CO، CH₄، CH₃OH و غیره) فراهم می کند و در نتیجه با حل همزمان کمبود انرژی فعلی و مسائل زیست‌ محیطی ناشی از انتشار بیش از حد  CO₂، مزایای زیادی را ایجاد می‌کند. علاوه بر این، ارگانوکاتالیست نور محور بعنوان یک روش بهینه برای عامل ‌دار کردن پیوند شیمیایی مستقیم با یک بستر وسیع در شرایط ملایم در نظر گرفته می‌شود، که سهم بسیار مهمی در متدولوژی سنتز آلی دارد. تجزیه فتوکاتالیستی رنگ‌های آلی در فاضلاب یک فناوری قدرتمند برای اصلاح محیطی محسوب می شود. در فرآیند فتوکاتالیستی، انرژی فوتون مورد نیاز برای تحریک نوری به شکاف نوری فتوکاتالیست بستگی دارد. با توجه به شکل زیر، در مقایسه با ناحیه UV که تنها 5 درصد از نور خورشید را شامل می شود، نور مرئی (400-800 نانومتر) حدود 53 درصد از انرژی خورشیدی تابشی را تشکیل می دهد.

 

شکل 1:

 AM1.5 solar light radiation spectrum red and photon flux curve

 

بنابراین، توسعه فوتوکاتالیست‌هایی با شکاف نوری کمتر از 30 eV برای افزایش جذب نور خورشید با تمرکز بر ناحیه نور مرئی بسیار مهم است. در طول چند دهه گذشته، تلاش‌های تحقیقاتی به طور جدی به دنبال یافتن فتوکاتالیست‌های مناسب برای کاربردهای عملی اختصاص یافته بودند. از میان آنها، پلیمرهای مزدوج π آلی اخیراً بعنوان جایگزین های امیدوارکننده ای در کاربردهای مختلف فتوکاتالیستی بسیار مورد توجه قرار گرفته ‌اند. بسیاری از خواص منحصر به فرد به پلیمرهای مزدوج π اجازه می دهد تا در فتوکاتالیست نسبت به نیمه هادی های معدنی واکنش نشان دهند. اول اینکه آنها مواد نیمه هادی زیست سازگاری هستند که از عناصر معدنی فراوانی تشکیل شده و دارای سطوح انرژی قابل تنظیمی برای واکنش های اکسیداسیون و کاهش آنها هستند. دوم، آنها می توانند به راحتی در شرایط ملایم آماده شده و ثبات شیمیایی عالی در برابر روشن کننده نوری داشته باشند. سوم، ساختارهای مولکولی آن‌ها را می‌توان برای استفاده بهتر از نور مرئی تنظیم کرد، در حالی که بسیاری از فتوکاتالیست‌های غیرآلی سنتی فقط از لحاظ UV فعال هستند. در آخر، پیوستگی π در امتداد ستون فقرات پلیمری، آنها را قادر می‌سازد تا از خواص جداسازی و انتقال حامل بار تولید شده با نور بهره مند شوند که برای ایجاد واکنش‌های فتوردوکس بسیار مهم است. با اصلاحات متنوع پلیمرهای مزدوج (CPs) در سطح مولکولی، اخیراً دستاوردهای هیجان انگیز زیادی در فتوکاتالیست گزارش شده است که به وضوح بررسی جامع در این موضوع تحقیقاتی را توجیه می کند. تاکنون، بیشتر بررسی‌های فتوکاتالیستی بر پایه CP مطابق با خانواده مواد نیترید کربن گرافیتی (g-C₃N₄) با تمرکز بر یک یا دو کاربرد فتوکاتالیستی انجام شده اند. ضرورت ارائه یک بررسی جامع از تحولات اخیر پلیمرهای مزدوج π  فتوکاتالیست از دیدگاهی گسترده تری احساس می شود. با توجه به شکل زیر، این بررسی پیشرفت‌های اخیر CPs در شکافت آب فتوکاتالیستی، کاهش نور CO₂، تبدیل آلی نور و تجزیه فتوکاتالیستی رنگ‌های آلی را ارائه می‌کند.

 

شکل 2:

Overview of p-conjugated polymers for various photocatalytic applications 

 

در اینجا، ما بر درک عمیقی از اینکه چگونه اصلاح ساختار CP تمرکز می‌کنیم که می‌تواند بر خواص نوری، جداسازی و انتقال بار تولید شده توسط نور و فعالیت فتوکاتالیستی تأثیر بگذارد. این بررسی از یک بحث مختصر در مورد فرآیندهای فتوکاتالیستی معمولی و سنتز فتوکاتالیست‌های  CP شروع می شود.

 

خلاصه و چشم انداز

در این بررسی، ما پیشرفت‌های اخیر در CP ها را برای کاربردهای فتوکاتالیستی مختلف، من جمله شکافت آب، کاهش  CO₂، تبدیل آلی و تجزیه رنگ آلی را به طور خلاصه بیان می کنیم. از آنجایی که  g-C₃N₄ برای اولین بار برای شکافت آب در زیر نور مرئی در سال 2009 نشان داده شد، CP ها به دلیل مزایای ذاتی همچون فراوانی در طبیعت، ساختار نواری قابل تنظیم و پایداری بالا در فتوکاتالیست، توجه زیادی را به خود جلب کرده و پلت فرم جدیدی را در زمینه فتوکاتالیست ارائه می دهند. همچنین به بحث در مورد تمام کلاس‌های  CP ها از جمله g-C₃N₄، CP های خطی، CP های متخلخل، پلی‌الکترولیت‌های مزدوج محلول در آب (CPE) و مواد آلی  (COFs و CTFs) را در این مقاله مروری مورد بحث قرار دادیم و بیان کردیم که چگونه طراحی پلیمر می‌تواند به واکنش‌ های فوتوکاتالیستی مختلف کمک کند. از نظر ساختاری، CP های خطی از واحدهای مزدوج جایگزین تشکیل شده اند، در حالی که CPP ها دارای ساختارهای متخلخل سه بعدی هستند که انتظار می رود انتقال بار را در ابعاد چندگانه تسهیل کنند. در مقایسه با  CPP ها و CP های خطی، COF های کریستالی دارای ساختار دوبعدی انباشته‌ای هستند که برای انتقال بار نوری مفید است، بنابراین فعالیت فتوکاتالیستی را افزایش می‌دهند. از سوی دیگر، تا به امروز، COF های مورد استفاده برای فتوکاتالیست ناهمگن هنوز از تغییرات ساختاری محدودی رنج می برند. علاوه بر این، یک کوکاتالیست پلاتین معمولاً برای  COF ها در تولید فتوکاتالیستی  H₂ مورد نیاز است در حالی که  CP های تهیه شده توسط واکنش های جفت کاتالیست شده با  Pd می توانند مستقیماً بدون افزودن هیچ کوکاتالیستی مورد استفاده قرار گیرند. علاوه بر آن کوکاتالیست های فلزات نجیب (Pt و Pd)، توسعه کوکاتالیست های فراوان و کم هزینه اخیرا بسیار جلب توجه کرده است. به عنوان مثال، خوشه نیکل-تیولات به عنوان یک کوکاتالیزور بسیار کارآمد برای تولید  H₂ در جذب نور COF معرفی شد.