AFM: 殼層厚度和形貌可調控的中空共價三嗪框架

2021-02-07 MaterialsViews

中空球結構具有非常類似於自然界中進行光合作用的類囊體結構,其獨特的結構使得一系列物理化學反應通過電荷的分離和傳輸在類囊體膜的兩側進行,從而可以有效地將太陽能轉化為化學能。最近幾年,關於模擬類囊體結構的空心微球和納米球的研究引起了研究者們的關注,主要是由於其獨特的物理化學性質和潛在的應用,例如在氣體傳感、能量存儲、催化和藥物負載等方面。特別是在光催化應用領域,具有較薄且多孔的殼層的中空結構的材料不僅有利於客體分子的傳遞,而且還有利於光生電子和空穴的分離和快速傳輸到表面。但是關於模板法製備中空球結構的研究大多集中在無機材料,關於有機聚合物中空球的研究相對較少,可能是由於有機聚合物具有一定的柔性,模板去除之後,有機聚合物中空球易塌陷,形貌不好控制。

共價三嗪框架是一種帶有三嗪環的富氮型多孔材料,其具有孔徑易調節,合適的能帶結構,高的熱穩定和好的化學穩定性等特點,這些特點使其在氣體的分離和儲存、能量儲存、光催化和異相催化等應用領域都有獨特的優勢。因其具有合適的光解水帶隙,其在光催化領域的應用一直是研究的熱點;但是對於其形貌研究較少,可能是由於目前的傳統合成方法較為苛刻,如高溫或強酸等條件。鑑於形貌對於光催化應用的重要性,因此有必要進一步發展新型的形貌製備方法。

華中科技大學化學與化工學院金尚彬等針對這一問題,通過將硬模板法和溫和的縮聚反應法的結合發展了具有可調控殼層厚度和形貌的中空共價三嗪框架的製備方法。通過將單體分兩步長在模板種子上即先生成預聚種子,最後生成目標的核-殼結構,然後再進行刻蝕,這樣的方法可以使得到的殼層結構更穩定。刻蝕之後,如果殼層厚度合適,可以得到完整且分散的球。相關結果發表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201904781)上。

將共價三嗪框架與中空球形貌相結合,多孔共價三嗪框架作為殼層結構有利於水分子的傳遞,中空球內腔可以通過光的反射提高光的利用率,進而促進更多光生載流子的生成,合適的殼層厚度更加有利於光生載流子的分離,這些特點可以將其光催化產氫性能最優化。而且共價三嗪框架的形貌隨著殼層厚度的變化有明顯的變化,其中中空球形貌對光催化產氫性能的影響最大。該工作為製備中空球共價三嗪框架的形貌提供了一種新方法,從而有可能進一步擴展共價三嗪框架在其他領域的應用,如吸附分離和藥物負載等方面。

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