CCS Chemistry | 分散催化、聚攏回收, pH就能調節!這個催化劑真是...

2021-01-09 澎湃新聞
CCS Chemistry | 分散催化、聚攏回收， pH就能調節！這個催化劑真是很「智能」

2020-12-25 11:46 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務

以下文章來源於CCSChemistry ，作者CCS Chemistry

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上海交通大學周永豐教授課題組與麥亦勇教授課題組合作，提出一種新的雜化催化劑合成策略——以聚合物單分子膠束為載體負載單金屬原子。可以通過簡單調節催化體系的pH值，實現單金屬原子單分子膠束催化劑的可逆聚集與再分散，從而實現了催化活性的「開關」功能和便捷的回收再利用能力。

一直以來，聚合物自組裝及其在催化領域中的應用研究備受關注。一般聚合物組裝體通過負載金屬納米粒子，形成金屬納米粒子-聚合物雜化組裝體，實現對多種反應過程的催化作用。在聚合物的保護下，不僅能有效緩解金屬納米粒子的團聚問題，而且可賦予催化劑某些特定的功能，例如對環境刺激的響應特性。但是，已報導的雜化組裝體催化劑依然面臨著許多問題。例如，催化劑的回收再利用十分困難；更為重要的是，催化劑中只有金屬納米粒子表面的原子可作為催化活性位點參與到化學反應中，導致金屬納米粒子利用率和催化效率低下。

圖1聚合物單分子膠束為載體的鉑單原子光催化劑。分散的單分子膠束具有光催化活性，而聚集後的單分子膠束聚集體的光催化活性顯著降低。

針對金屬納米粒子-聚合物組裝體雜化催化劑的上述研究難題，上海交通大學周永豐教授課題組與麥亦勇教授課題組合作，提出了雜化催化劑合成策略——以聚合物單分子膠束為載體負載單金屬原子（圖1）。該單分子膠束以鉑卟啉（PtTHPP）為核，表面具有四條pH響應的PDMAEMA聚合物臂。在酸性環境中，PDMAEMA聚合物鏈具有良好的水溶性，賦予Pt金屬單原子在水相體系中極好的穩定性和分散性，保證高效的傳質過程以及反應位點的充分暴露，從而賦予該催化體系很高的原子利用效率和催化性能（圖2 a-c）。在λ> 420 nm可見光照射下的水分解試驗中，該單金屬原子單分子膠束催化劑展示出良好的產氫性能（49,465 μmol g(Pt)-1 h-1）和優異的循環穩定性。此外，由於聚合物鏈PDMAEMA的親疏水性受溶液pH值影響，在較高的pH下，PDMAEMA鏈由親水轉變為疏水，因此可以通過簡單調節催化體系的pH值，實現單金屬原子單分子膠束催化劑的可逆聚集與再分散，從而實現了催化活性的「開關」功能和便捷的回收再利用能力。具體而言，當催化劑體系趨向鹼性時，在疏水相互作用驅動下，單分子膠束聚集並沉澱，其催化功能「關閉」，同時可通過簡單的離心分離實現催化劑的回收。回收的催化劑在酸性介質中可重新分散形成穩定的單分子膠束，催化功能再次「打開」，且催化性能仍保持在較高水平（圖2 d-f）。該催化劑集成了單分子膠束、單金屬原子催化、水相分散、催化活性「開關」、可回收等優勢，具有較好的光催化應用潛力，也拓寬了高分子自組裝的應用範圍，為水相金屬催化劑的開發和高效利用提供了新途徑。

圖2 a) 單分子膠束的TEM圖，插圖為 (a)中膠束的尺寸統計分布；b) 單分子膠束的高分辨球差矯正電子顯微鏡圖；c）EXAFS 譜圖；d）單分子膠束聚集體的TEM圖；e）單分子膠束及其對比樣的可見光催化水分解產氫性能；f）單分子膠束在不同pH值下產氫活性的可逆轉換。

上述研究成果發表在CCS Chemistry，已在期刊官網上線。文章的第一作者是上海交通大學的博士研究生左權，通訊作者為上海交通大學麥亦勇教授和周永豐教授。此項研究得到了變革性分子前沿科學中心的大力支持，以及國家自然科學基金、上海市科學技術委員會基礎研究項目、上海市優秀學術帶頭人計劃和上海市「東方學者」計劃的資助。

文章詳情：

Quan Zuo, Kun Feng, Jun Zhong, Yiyong Mai* & Yongfeng Zhou*. Single-Metal-Atom Polymeric Unimolecular Micelles for Switchable Photocatalytic H2 Evolution. CCS Chem. 2020, 2, 1963–1971.

文章連結：https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000486

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