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江西科技师范大学 Asif Hayat等 Prog. Mater. Sci.:共价三嗪框架光催化分解水研究进展
2024-09-07  来源:高分子科技

  共价三嗪框架化合物(CTF)是一种新型有机多孔材料,具有独特的芳香族C-N连接(三嗪单元)和无任何弱键等特征。由于其合成多样、稳定、无毒、有机成分简单等特点,CTF在气体吸附/分离、污染物去除、能量存储/转换、光催化水分解等众多领域具有广阔的应用前景。



  近日,江西科技师范大学柔性电子创新研究院Asif Hayat博士等人在国际顶级期刊《Progress in Materials Science》(IF = 33.6)上发表题为《Emerging breakthroughs in covalent triazine frameworks: From fundamentals towards photocatalytic water splitting and challenges》的综述,系统总结了CTF的合成方法、形态结构、功能化研究进展、光催化性能提升技术、应用进展及未来展望


1. 近十年CTF发展历程时间表


  在本综述中,作者详细回顾了近十年CTF材料的合成、性能调控和应用探索。


  首先,系统总结了CTF的几何结构、电子特性、结晶性能、二维/三维结构对其电学特性(包括电导和介电作用)以及光学特性(包括折射率、阻尼稳态、吸收等)的影响。


  其次,考虑到三嗪单元对CTF的晶体结构、表面积、多孔性、光吸收能力和化学稳定性特性有相当大的影响。作者在本节中详细阐述了包括电离热聚合法、超强酸催化聚合法、硬模板合成法、芳香酰胺缩合法、脒醛缩合法、席夫碱反应、Friedel-crafts反应、亲核取代反应、Sonogashir偶联反应、Yamamoto偶联反应、Suzuki偶联反应、Knoevenagel反应12种合成三嗪单元的方法。


 2.a)使用盐基模板合成介孔修饰的CTF-1的过程;b)纳米多孔空心聚三嗪的设计


  再次,为了归纳增强CTF光催化性能的技术,作者从功能单元开发、供体-受体单元设计、结晶度控制、形态和厚度控制、化学掺杂调控、异质结构建、单原子催化剂调节几个方面系统综述了调控CTF光催化性能的关键因素。


 3. D-AD-π-A体系中的光诱导电子传输策略


  作者进而系统总结了CTF的功能化策略,包括:1)合成前功能化,这涉及选择具有特定官能团的单体,这些单体可以在整个聚合过程中立即整合到结构中;2)合成后修饰,是指结构合成后引入或修改功能单元的过程,该技术包括硝化/还原、卤化、磺化和接枝,这涉及功能组分或聚合物附着在结构的外层或间隙内;3)金属化方法,主要包括引入金属原子或金属基团以及分离催化剂。


 4.aCTF的三种合成途径bM-CTF中用于消除有机污染物的双向EDA系统cBC-CTFPh-BC-CTF的合成途径dCTF-HUST-1CTF-BPCZCTF-TPCZ材料的合成过程图eCTFBIBs的合成途径和理论结构fCTF-TPMs的合成途径


  紧接着,作者论述了CTF的形态对其特性和用途的影响。CTF形态与颗粒尺寸、形状、外部结构和孔隙率有关。研究者可通过正确选择合成过程、反应参数和合成后处理方法,以实现CTF的形态和结构设计、满足特定要求。


 5.a)无模板合成N/S-HMCS过程b-g)由S-CTF材料组成的固体球体的形貌表征;h)使用超声波组装P-CTF以合成NPF@CNFs的过程i-mP-CTF纳米微球形貌表征;nsp2c-CTP-4合成的示意图osp2c-CTP-4和单体(TMTTFPB)的FTIR分析psp2c-CTP-4NMRqSEMrsp2c-CTP-4DRS


  作者进而系统总结了CTF在光催化应用中的发展情况,主要集中在光催化析氢反应(HER)、光催化析氧反应(OER)和光催化分解水(PWOS等方面。作者还归纳了目前调控CTF性能的几种关键技术以及提高CTF光催化能力的几种方法。


 6. 通过微波和电离热合成CTF-0的示意图以及光催化HEROERPWOS性能


  最后,作者系统指出了CTF当前存在的挑战及未来发展方向:1)新型CTF设计开发;2)供体-受体设计策略;3CTF缺陷和晶体结构调控;4)单层或低聚CTF设计开发;5)杂原子掺杂;6CTF特定结构排列;7)光催化功能评估标准化;8)晶体CTF可持续、环保合成;9)水氧化半反应调控;10)甲烷氧化以及碱性化合物或生物质向有价值分子的特异性转化;11)光催化剂高效合成;12)三维CTF结构设计。


  该工作第一作者是Asif Hayat博士,共同第一作者是Hamid Ali博士,第一单位为江西科技师范大学柔性电子创新研究院、柔性电子江西省重点实验室,通讯作者是韩国岭南大学Mohd Zahid Ansari教授和浙江师范大学Yasin Orooji教授。


  原文链接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.


  作者简介Asif Hayat博士简介:2022年毕业于福州大学化学专业,2022-2024年在浙江师范大学开展博士后研究。他的主要研究兴趣集中在光催化方面,如光催化水分解;光催化析氢/氧;二氧化碳光还原为CO、甲烷、H2;金属/共轭有机框架材料;以及染料的光降解等。Asif Hayat博士目前在Progress in Materials ScienceMaterials Science and Engineering: R: ReportsMaterial Today等顶级期刊共计发表SCI论文94篇(其中第一/共一作者37篇,通讯作者25篇),总引用3000余次,h指数34


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