摘要
受自然光合作用的启发，利用太阳能将CO2和H2O转化为如：CH4、CO和CH3OH等高附加值的化学品被认为是解决能源短缺和环境污染的理想且有效的方法之一。因此开发和设计一种性质稳定且高效的光催化剂是实现人工光合成的关键所在。有机半导体光催化剂因其具有易于合成和加工、分子水平上可调控的电子和能带结构以及高物理化学稳定性的固有优势而广受关注，其中聚酰亚胺（Polyimide，PI）作为近年来出现的一类新型共轭聚合物光催化剂，具有较好的可见光吸收、好的化学稳定性，有望成为CO2还原的理想平台。然而，对于单一组分的聚酰亚胺来说，很难通过调控其结构或带隙显著提高其光催化还原CO2的活性，这主要是因单一组分PI材料内部光生电子与空穴复合效率较高，以及缺少催化活性位点所致。针对上述问题，本文通过构建有机-无机异质结体系、螯合过渡金属离子两种策略对聚酰亚胺进行改性，以促进光生载流子的分离与迁移、提供反应活性位点，进而提高材料的光催化还原CO2性能，并通过对所制备的材料进行一系列结构和光电性能表征，结合原位红外测试等，阐明光催化还原CO2反应机制。主要研究内容分为以下两个部分： （1）PI/CdS异质结的制备及其光催化还原CO2性能研究。通过溶剂热法制备纳米片层聚酰亚胺，然后在纳米片表面原位生长CdS纳米颗粒，构筑具有紧密结合界面的异质结催化剂。在气-液体系中对制备所得材料进行光催化CO2还原性能测试，结果表明，当CdS负载量在20 wt%时，PI/CdS-20%的光催化CO2还原性能最好，达到88.7μmol/g/h （CO，76.3%），分别约是单一PI的3倍和CdS的2倍，同时材料在四个循环下仍保持稳定较好的性能。相应的XRD、FT-IR、XPS等表征证实了0D/1D异质结的成功构建。光电测试以及荧光光谱测试证实了异质结的构筑可以有效提高电子-空穴的分离效率，进而提高了催化剂的光催化活性。 （2）PI-M 的制备及其光催化还原 CO2性能研究。通过水热法分别在PI骨架中螯合不同种过渡金属离子（TMI），制备具有更多活性中心的催化材料PI-M（M=Co2+、Zn2+或 Ni2+）。催化还原性能测试表明，TMI 的引入可以显著提高材料的光催化活性，其中PI-Zn具有较高光催化还原CO2生成CO的产率，达到66.3 μmol/g/h，是纯PI的约2.4倍。结合XPS、紫外可见漫反射光谱及光电性能测试等表征，证实作为反应活性位点的TMI与PI的螯合可以提高材料的光吸收能力，且有效促进材料光生电子-空穴对的分离。
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