北京化工大学李效玉和郭隆海团队《Macromolecules》：含氮缺陷结构的石墨烯氮化碳催化PET-RAFT聚合

2022-06-30 来源：高分子科技

随着人类社会的发展，越来越多的新型聚合物材料得到广泛应用，可逆失活自由基聚合（RDRP）为合成具可控链段结构的聚合物带来了巨大创新。同时，研究人员不仅满足于采用传统热引发的方式引发聚合，并逐渐将目光转向光能这一清洁能源，由此诞生出了光致电子/能量转移可逆加成断裂链转移聚合（PET-RAFT）。由于该聚合方法对于光催化剂的高度依赖性，开发一种高效稳定的光催化剂成为其重要发展方向。

图1 具有增强催化活性的g-C₃N_x用于可见光下催化PET-RAFT聚合

近日，北京化工大学的北京市水性聚合物合成与应用工程技术研究中心李效玉教授和郭隆海副教授团队，采用不同的处理剂（PTA）对三聚氰胺进行预处理，在其热缩合过程中原位引入两种氮缺陷结构，即氰基缺陷与氮原子空位，得到了一种含有氮缺陷结构的石墨烯氮化碳（g-C₃N_x）。将g-C₃N_x作为光催化剂使用，在可见光下成功催化PET-RAFT聚合。
研究表明，在丙烯酸酯单体的g-C₃N_x催化PET-RAFT聚合反应过程中，反应表现为可控自由基聚合的动力学行为，聚合产物的分子量与预期的分子量吻合，且呈现窄分布特点（PDI＜1.2）。调控光照与避光的条件循环，可有效控制聚合反应的进行与停止，表现为聚合物链增长过程在避光情况下被暂停，并可通过光照方式被重新激活。g-C₃N_x催化PET-RAFT聚合反应不仅对聚合单体具有较高的普适性，g-C₃N_x作为非均相光催化剂被简易分离，循环使用的催化效率具有较高的保持率。

图2 g-C₃N_x可见光下催化PET-RAFT聚合反应研究

PTA的用量和类型对g-C₃N_x催化PET-RAFT聚合的反应速率和诱导期都有显著影响。氮缺陷结构的引入可增强g-C₃N_x的光吸收特性和载流子传输效率。采用0.5 g NaOH处理所得的g-C₃N_x展现出最佳催化活性，相同辐照时间下，催化PET-RAFT聚合的单体转化率约为未经处理的石墨烯氮化碳的两倍，聚合反应诱导期也有明显缩短。g-C₃N_x催化剂的合成简单、稳定，以及可见光下高催化活性为PET-RAFT聚合的发现提供新思路，为进一步探究PET-RAFT聚合的电子/能量转移机理提供支持。

图3 不同g-C₃N_x催化PET-RAFT聚合的动力学对比

图4 不同g-C₃N_x光吸收特性与载流子迁移效率对比

相关成果以标题为“Tunable Nitrogen Defects on Graphitic Carbon Nitride toward the Visible-Light-Induced Reversible-Deactivation Radical Polymerization”发表在《Macromolecules》。文章第一作者是北京化工大学副研究员邱藤博士与硕士研究生韩世伟。该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金委的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.2c01099

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（责任编辑：xu）

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