一种聚合物碳纤维光阳极制备及其光电分解水的应用

本发明属于光电材料，具体涉及一种原位生长技术制备聚合物碳纤维光阳极的方法及将其应用于光电催化水分解反应。

背景技术：

1、日本学者fujishima和honda在1972年首次发现二氧化钛电极可以光电催化分解水制备氢气和氧气（nature 1972, 5358, 37）。半导体催化剂分解水的核心主要在于提升材料的氧化能力、光吸收利用率、载流子的迁移和催化剂的稳定性以及抑制载流子的复合。王等将非金属的线性共价聚合物用于光催化分解水产氧后（angew. chem. int. ed.2020, 42, 18695），线性共价聚合物得到了人们的广泛关注。作为一种新型聚合物半导体，线性共价聚合物良好的可见光响应，结构的多样性、可调性，稳定性良好，价格低廉等特性不仅使其在光催化领域展现了优异性能，而且在光电催化分解水方向也具有一定的潜力。然而，目前线性共价聚合物光电极的制备与应用仍然处于起步阶段，其主要面临着以下几个严峻的挑战：（1）缺少合适的原位制备和改性方法；（2）载流子传输复合较快；（3）表界面反应位点不明确。因此，发展线性聚合物光电极的原位制备和改性方法，利用前驱体直接在导电基底表面聚合形成线性聚合薄膜，实现聚合物薄膜与导电基底的紧密接触，促进光生载流子的定向传输，对线性聚合物光电极的发展具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种一锅法技术制备聚合物碳纤维光阳极的方法及将其应用于光电催化水分解。本发明首先通过电沉积技术将金属钯电镀在碳布上，再通过一锅法使聚合物原位生长在碳布上，使得聚合物与碳布通过金属钯相连。这种连接模式有效促进了电荷的分离和传输，使所得光阳极能够在碱性电解液中实现高效的光电催化分解水。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种聚合物碳纤维光阳极，其是以碳布作为导电基底，通过电化学沉积的方法将金属钯沉积在碳布上，之后通过一锅法使聚合物原位生长在沉积有钯颗粒的碳布上制得；其制备方法包括以下步骤：

4、1）pd-碳布的制备：将碳布清洗后，浸入由pdcl2与hcl按摩尔比1:2混合成的红褐色电解液中，用氮气鼓吹20分钟后，在0.2 v恒压条件下沉积1分钟，得到pd-碳布；

5、2）聚合物碳纤维光阳极的制备：将所得pd-碳布浸入由1.5 mmol聚合物前驱体、1mg pd(pph3)4、40 ml n,n-二甲基甲酰胺和4 ml 2m碳酸钾水溶液组成的混合溶液中，在150℃下搅拌2天制得。

6、进一步地，所述聚合物前驱体为3,7-二溴二苯并噻吩5,5-二氧化物、3,7-二硼酸频那醇酯二苯并噻吩5,5-二氧化物、1,4-苯二硼酸、2,5-二溴吡啶、2,5-二溴吡嗪、2-溴吡啶-5-硼酸、1,4-二溴四氟苯中的至少一种。

7、上述所得聚合物碳纤维光阳极能够应于光电催化分解水产氧反应。

8、本发明的显著优点在于：

9、（1）本发明通过在碳布上电化学沉积金属钯，以此作为碳布与聚合物的连接点，从而通过一锅法使聚合物原位生长在碳布基底上。其制备得到的光阳极材料具有良好的稳定性、优异的光生电子空穴分离能力，相较于在碳布上直接生长聚合物薄膜的材料的光电流提升了10倍。

10、（2）本发明整个生产过程工艺简单，易于调控，能源消耗低，符合实际生产需要，有利于大规模推广。

技术特征：

1.一种聚合物碳纤维光阳极的制备方法，其特征在于：以碳布作为导电基底，通过电化学沉积的方法将金属钯沉积在碳布上，之后通过一锅法使聚合物原位生长在沉积有钯颗粒的碳布上，得到所述聚合物碳纤维光阳极。

2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述电化学沉积是将pdcl2与hcl按摩尔比1:2混合作为电解液，用氮气鼓吹20分钟后，在0.2 v恒压条件下沉积1分钟。

3. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述一锅法具体是将沉积有钯的碳布浸入到由1.5 mmol聚合物前驱体、1 mg pd(pph3)4、40 ml n,n-二甲基甲酰胺和4 ml 2m碳酸钾水溶液组成的混合溶液中，加热到150 ℃，搅拌2天。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述聚合物前驱体为3,7-二溴二苯并噻吩5,5-二氧化物、3,7-二硼酸频那醇酯二苯并噻吩5,5-二氧化物、1,4-苯二硼酸、2,5-二溴吡啶、2,5-二溴吡嗪、2-溴吡啶-5-硼酸、1,4-二溴四氟苯中的至少一种。

5.一种如权利要求1-4中任一项所述方法制得的聚合物碳纤维光阳极。

6.一种如权利要求5所述的聚合物碳纤维光阳极在光电催化分解水产氧反应中的应用。

技术总结本发明公开了一种通过一锅法原位生长技术制备聚合物碳纤维光阳极的方法，并将其应用于光电催化分解水产生氧气的反应，属于光电材料技术领域。本发明以电沉积方法在碳布基底上沉积Pd金属颗粒得到Pd‑碳布，然后以Suzuki偶联反应为反应基础，N,N‑二甲基甲酰胺和2M的碳酸钾水溶液作为反应液，Pd(PPh<subgt;3</subgt;)<subgt;4</subgt;作为催化剂，聚合物前驱体作为反应物，通过一锅法使聚合物均匀地以片状结构原位生长在Pd‑碳布上，得到所述聚合物碳纤维光阳极。本发明制作的光阳极具有合适的能带位置、良好的吸光能力和电荷传输能力，其在碱性电解液中催化性能与纯聚合物粉末相比大大提高，具有较大的应用潜力。技术研发人员：王心晨,方元行,陈雄,柴姝名,苏加鑫,汪思波,侯乙东受保护的技术使用者：福州大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13