Simultaneously Achieving Fast Intramolecular Charge Transfer and Mass Transport in Holey D−π–A Organic Conjugated Polymers for Highly Efficient Photocatalytic Pollutant Degradation

分子内力 光催化 光化学 电子转移 聚合物 亚胺 化学 材料科学 化学工程 有机化学 催化作用 工程类
作者
Huinan Che,Jian Wang,Peifang Wang,Yanhui Ao,Juan Chen,Xin Gao,Fangyuan Zhu,Bin Liu
出处
期刊:JACS Au [American Chemical Society]
卷期号:3 (5): 1424-1434 被引量:83
标识
DOI:10.1021/jacsau.3c00088
摘要

Simultaneously realizing efficient intramolecular charge transfer and mass transport in metal-free polymer photocatalysts is critical but challenging for environmental remediation. Herein, we develop a simple strategy to construct holey polymeric carbon nitride (PCN)-based donor-π-acceptor organic conjugated polymers via copolymerizing urea with 5-bromo-2-thiophenecarboxaldehyde (PCN-5B2T D-π-A OCPs). The resultant PCN-5B2T D-π-A OCPs extended the π-conjugate structure and introduced abundant micro-, meso-, and macro-pores, which greatly promoted intramolecular charge transfer, light absorption, and mass transport and thus significantly enhanced the photocatalytic performance in pollutant degradation. The apparent rate constant of the optimized PCN-5B2T D-π-A OCP for 2-mercaptobenzothiazole (2-MBT) removal is ∼10 times higher than that of the pure PCN. Density functional theory calculations reveal that the photogenerated electrons in PCN-5B2T D-π-A OCPs are much easier to transfer from the donor tertiary amine group to the benzene π-bridge and then to the acceptor imine group, while 2-MBT is more easily adsorbed on π-bridge and reacts with the photogenerated holes. A Fukui function calculation on the intermediates of 2-MBT predicted the real-time changing of actual reaction sites during the entire degradation process. Additionally, computational fluid dynamics further verified the rapid mass transport in holey PCN-5B2T D-π-A OCPs. These results demonstrate a novel concept toward highly efficient photocatalysis for environmental remediation by improving both intramolecular charge transfer and mass transport.
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