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江西科技師范大學 Asif Hayat等 Prog. Mater. Sci.:共價三嗪框架光催化分解水研究進展
2024-09-07  來源:高分子科技

  共價三嗪框架化合物(CTF)是一種新型有機多孔材料,具有獨特的芳香族C-N連接(三嗪單元)和無任何弱鍵等特征。由于其合成多樣、穩定、無毒、有機成分簡單等特點,CTF在氣體吸附/分離、污染物去除、能量存儲/轉換、光催化水分解等眾多領域具有廣闊的應用前景。



  近日,江西科技師范大學柔性電子創新研究院Asif Hayat博士等人在國際頂級期刊《Progress in Materials Science》(IF = 33.6)上發表題為《Emerging breakthroughs in covalent triazine frameworks: From fundamentals towards photocatalytic water splitting and challenges》的綜述,系統總結了CTF的合成方法、形態結構、功能化研究進展、光催化性能提升技術、應用進展及未來展望


1. 近十年CTF發展歷程時間表


  在本綜述中,作者詳細回顧了近十年CTF材料的合成、性能調控和應用探索。


  首先,系統總結了CTF的幾何結構、電子特性、結晶性能、二維/三維結構對其電學特性(包括電導和介電作用)以及光學特性(包括折射率、阻尼穩態、吸收等)的影響。


  其次,考慮到三嗪單元對CTF的晶體結構、表面積、多孔性、光吸收能力和化學穩定性特性有相當大的影響。作者在本節中詳細闡述了包括電離熱聚合法、超強酸催化聚合法、硬模板合成法、芳香酰胺縮合法、脒醛縮合法、席夫堿反應、Friedel-crafts反應、親核取代反應、Sonogashir偶聯反應、Yamamoto偶聯反應、Suzuki偶聯反應、Knoevenagel反應12種合成三嗪單元的方法。


 2.a)使用鹽基模板合成介孔修飾的CTF-1的過程;b)納米多孔空心聚三嗪的設計


  再次,為了歸納增強CTF光催化性能的技術,作者從功能單元開發、供體-受體單元設計、結晶度控制、形態和厚度控制、化學摻雜調控、異質結構建、單原子催化劑調節幾個方面系統綜述了調控CTF光催化性能的關鍵因素。


 3. D-AD-π-A體系中的光誘導電子傳輸策略


  作者進而系統總結了CTF的功能化策略,包括:1)合成前功能化,這涉及選擇具有特定官能團的單體,這些單體可以在整個聚合過程中立即整合到結構中;2)合成后修飾,是指結構合成后引入或修改功能單元的過程,該技術包括硝化/還原、鹵化、磺化和接枝,這涉及功能組分或聚合物附著在結構的外層或間隙內;3)金屬化方法,主要包括引入金屬原子或金屬基團以及分離催化劑。


 4.aCTF的三種合成途徑bM-CTF中用于消除有機污染物的雙向EDA系統cBC-CTFPh-BC-CTF的合成途徑;dCTF-HUST-1、CTF-BPCZCTF-TPCZ材料的合成過程圖;eCTFBIBs的合成途徑和理論結構;fCTF-TPMs的合成途徑


  緊接著,作者論述了CTF的形態對其特性和用途的影響。CTF形態與顆粒尺寸、形狀、外部結構和孔隙率有關。研究者可通過正確選擇合成過程、反應參數和合成后處理方法,以實現CTF的形態和結構設計、滿足特定要求。


 5.a)無模板合成N/S-HMCS過程;b-g)由S-CTF材料組成的固體球體的形貌表征;h)使用超聲波組裝P-CTF以合成NPF@CNFs的過程;i-mP-CTF納米微球形貌表征;nsp2c-CTP-4合成的示意圖;osp2c-CTP-4和單體(TMTTFPB)的FTIR分析psp2c-CTP-4NMR;qSEM;rsp2c-CTP-4DRS


  作者進而系統總結了CTF在光催化應用中的發展情況,主要集中在光催化析氫反應(HER)、光催化析氧反應(OER)和光催化分解水(PWOS等方面。作者還歸納了目前調控CTF性能的幾種關鍵技術以及提高CTF光催化能力的幾種方法。


 6. 通過微波和電離熱合成CTF-0的示意圖以及光催化HEROER、PWOS性能


  最后,作者系統指出了CTF當前存在的挑戰及未來發展方向:1)新型CTF設計開發;2)供體-受體設計策略;3CTF缺陷和晶體結構調控;4)單層或低聚CTF設計開發;5)雜原子摻雜;6CTF特定結構排列;7)光催化功能評估標準化;8)晶體CTF可持續、環保合成;9)水氧化半反應調控;10)甲烷氧化以及堿性化合物或生物質向有價值分子的特異性轉化;11)光催化劑高效合成;12)三維CTF結構設計。


  該工作第一作者是Asif Hayat博士,共同第一作者是Hamid Ali博士,第一單位為江西科技師范大學柔性電子創新研究院、柔性電子江西省重點實驗室,通訊作者是韓國嶺南大學Mohd Zahid Ansari教授和浙江師范大學Yasin Orooji教授。


  原文鏈接Asif Hayat, Hamid Ali, Mohd Zahid Ansari*, Yasin Orooji*. Emerging breakthroughs in covalent triazine frameworks: From fundamentals towards photocatalytic water splitting and challenges, Progress in Materials Science, 2025, 147, 101352. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101352.


  作者簡介Asif Hayat博士簡介:2022年畢業于福州大學化學專業,2022-2024年在浙江師范大學開展博士后研究。他的主要研究興趣集中在光催化方面,如光催化水分解;光催化析氫/氧;二氧化碳光還原為CO、甲烷、H2;金屬/共軛有機框架材料;以及染料的光降解等。Asif Hayat博士目前在Progress in Materials Science、Materials Science and Engineering: R: Reports、Material Today等頂級期刊共計發表SCI論文94篇(其中第一/共一作者37篇,通訊作者25篇),總引用3000余次,h指數34。


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