第一作者：Yiming Tang（唐一鸣），Yuxin Liao（廖雨欣）
通讯作者：Yiming Tang（唐一鸣），Yan Guo（郭燕）
DOI：10.1039/d6en00331a
❖ 本文亮点 ❖
1、通过在苝酰亚胺（PDI）的酰亚胺位引入三嗪环，构建了具有大共轭平面的MA-PDI聚合物，显著增强了材料的共轭程度，使其成为高效的“电子储库”。
2、利用浸渍法将Fe(III)物种固定于MA-PDI表面，通过界面电荷转移（IFCT）效应，Fe(III)作为电子受体有效捕获光生电子，极大抑制了电子-空穴复合。
3、在可见光驱动下，MA-PDI/Fe3+对苯酚的降解速率常数达3.369 h-1，总有机碳（TOC）去除率高达80.6%。
❖ 前言 ❖
2026年6月，Environmental Science Nano在线发表了华南师范大学唐一鸣副教授团队在有机半导体光催化水处理领域的最新研究成果。该工作报道了一种Fe(III)锚定三嗪-苝酰亚胺聚合物（MA-PDI/Fe3+）光催化剂，通过构建大共轭电子储库与界面电荷转移效应的协同作用，实现了有机污染物的高效可见光降解与矿化。
❖ 背景介绍 ❖
水体中有机污染物的深度矿化是光催化水处理领域的核心挑战之一。传统光催化剂往往面临光生电子-空穴对复合率高、电荷转移慢等问题，导致矿化效率不理想。苝酰亚胺（PDI）有机半导体因其强可见光吸收、高稳定性及可调的分子结构而备受关注。然而，PDI材料中光生载流子的快速复合严重制约了其实际应用。针对上述瓶颈，研究团队设计了一种以三嗪环为连接基元的苝酰亚胺聚合物（MA-PDI）。三嗪环的大共轭平面不仅增强了分子的共轭程度，还有利于电子在共轭晶面上积累，使材料成为高效的电子储库。在此基础上，团队通过浸渍法将Fe(III)物种（以无定形FeOOH形式）固定于MA-PDI表面。由于Fe3+/Fe2+的还原电位（0.77 eV vs. NHE）低于MA-PDI的HOMO能级，Fe(III)能够直接捕获光生电子并被还原为Fe(II)，从而有效抑制电子-空穴复合。这一策略将有机半导体的“电子储库”特性与过渡金属离子的“界面电荷转移”效应相结合，为提升光催化矿化效率提供了新思路。
❖ 本文所用设备 ❖
本文使用设备为泊菲莱PLS-FX300HU高均匀性一体式氙灯光源，该光源专为光电材料测试量身打造，深度契合光电极尺寸与辐照特性的实际需求。光源支持输出10×10~50×50 mm²连续可调的矩形均匀光斑，且其光斑均匀性极佳，在尺寸≤20×20 mm²时可达到A级太阳模拟器标准，是开展光电转化效率（IPCE）测量等高精度测试的理想选择。在性能方面，PLS-FX300HU高均匀性一体式氙灯光源输出光功率密度限制值≥3000 mW/cm²（10×10 mm²光斑下调焦筒直接输出），可完美满足高强度均匀光的实验需求。此外，设备集成电流调节与电动光阑双重光强调节机制，能够轻松实现对输出光强度的精细化与智能化调控。
❖ 图表解析 ❖
研究团队以3,4,9,10-苝四甲酸二酐（PDA）和三聚氰胺（MA）为原料，在200°C下通过溶剂热反应48小时，成功合成了三嗪-苝酰亚胺聚合物MA-PDI。三嗪环作为连接基元将PDI单元交联，形成了具有大共轭平面的聚合物骨架。
图1. Preparation of MA-PDI.
SEM图像显示，MA-PDI呈现有序的棒状堆积结构，表明其具有长程有序的聚合物特征。引入Fe3+后，MA-PDI短棒的宽度从约200 nm减小至约100 nm，比表面积增大，为污染物吸附提供了更多活性位点。HR-TEM图像中观察到0.292 nm和0.313 nm的晶格条纹，对应PDI层间的π-π堆积。TEM-EDS元素分布图显示C、N、O、Fe在MA-PDI/Fe3+中均匀分布，证实Fe的成功引入。
图2. (a–d) SEM images of MA-PDI and MA-PDI/Fe3+;(e and f) HRTEM images of MA-PDI and MA-PDI/Fe3+; (g) TEM/EDS elemental mappings of MA-PDI/Fe3+.
固体13C NMR谱图中，165.5 ppm处的特征峰归属于三嗪环碳原子，162.9 ppm处的信号归属于PDI单元的羰基碳，证实了MA-PDI的成功合成。TOF-SIMS和FT-IR分析进一步确认了三嗪基团成功引入聚合物骨架。XRD结果显示，MA-PDI在25-27°附近呈现宽峰，表明材料中存在π-π堆积相互作用，有利于建立内建电场促进电荷迁移。引入Fe后，MA-PDI的基本峰形未改变，说明Fe(III)是以表面固定而非晶格掺杂的形式存在。FT-IR中657、792和890cm-1处出现的新峰与FeOOH的特征三重峰吻合。XPSFe2p精细谱中，710.8eV处的峰归属于FeOOH，713.7eV和726.8eV处的峰对应Fe(III)。FeK-edgeXANES和EXAFS分析进一步确认了Fe在MA-PDI表面以无定形FeOOH的形式存在。
图3. (a) 13C NMR spectrum of MA-PDI; (b) TOF-SIMS spectra of PDA and MA-PDI; (c) XRD patterns of MA-PDI/Fe3+ and MA-PDI; (d) FT-IR spectra of MA-PDI/Fe3+ and MA-PDI; (e) Fe 2p fine spectrum of MA-PDI/Fe3+; (f) XPS spectra of MA-PDI/Fe3+ and MA-PDI; (g) Fe K-edge XANES spectra ofFe foil, lepidocrocite, and MA-PDI/Fe3+; (h) Fourier-transformed (FT) k3χEXAFS spectra of Fe foil, lepidocrocite, and MA-PDI/Fe3+.
PDA具有高度对称的结构，分子偶极矩仅0.013D；而引入三嗪基团后，分子对称性被打破，MA-PDI的偶极矩增大至1.002D，约为PDA的77.8倍。偶极矩的显著增大诱导了更强的内建电场（IEF）。引入Fe后MA-PDI的光致发光寿命略有延长，有利于激子解离和载流子分离。吸收边从1026nm蓝移至881nm，带隙增大。MA-PDI/Fe3+的HOMO能级位于1.77 eV (vs. NHE），比MA-PDI（1.47eV）更深，赋予了更强的氧化能力。
图4.(a) and (b) Surface electrostatic potential images and dipole moment values of PDA and MA-PDI;(c)comparisonof the built-in electric field (IEF)of PDA,MA-PDI,and MA-PDI/Fe3+ based on experimental measurements;(d) transient photocurrent response curves of PDA,MA-PDI,and MA-PDI/Fe3+;(e)electrochemical impedance spectroscopy (EIS)Nyquist plots ofPDA,MA-PDI,andMA-PDI/Fe3+;(f)photoluminescence (PL) spectra ofPDA,MA-PDI,and MA-PDI/Fe3+; (g) time-resolved transient photoluminescence spectra of MA-PDI and MA-PDI/Fe3+; (h) UV-vis-NIR absorption spectra of MA-PDI and MA-PDI/Fe3+; (i) schematic illustration of the energy band structures of MA-PDI and MA-PDI/Fe3+.
四次循环实验后苯酚降解率仍可达95%，表明MA-PDI具有优异的稳定性。在真实水体（广州大学城中心湖、华南师范大学砚湖）中，MA-PDI/Fe3+仍保持较高的降解和矿化效率。离子干扰实验表明，除CO32-外，其他常见阴阳离子对降解性能影响不大。此外MA-PDI/Fe3+对多种小分子酚类污染物和抗生素均表现出良好的降解活性。
图5. (a) Effect of different Fe dosages on the photocatalytic degradation and mineralization of phenol by MA-PDI; (b) comparison of the photocatalytic activity of MA-PDI with reported catalysts of the same type; (c) photocatalytic degradation of phenol over MA, PDA, and MA-PDI (Fe: 1.6 mM; phenol: 20 ppm; pH: 3; light source: λ > 420 nm, 80 W); (d) cyclical degradation experiments of phenol using MA-PDI/Fe3+; (e) photocatalytic degradation and mineralization of phenol by MA-PDI/Fe3+ in different water matrices; (f) mineralization performance of MA-PDI/ Fe3+ towards different pollutants (20 ppm).
基于上述结果，研究团队提出了MA-PDI/Fe³⁺的光催化机理：可见光激发下，MA-PDIHOMO能级的光生电子一部分跃迁至LUMO，另一部分直接转移至表面Fe(III)物种（IFCT效应），Fe(III)被还原为Fe(II）；空穴则留在HOMO能级，参与污染物的直接氧化。Fe(II)不稳定，易被O₂等氧化性物种氧化再生为Fe(III)，形成Fe(III)/Fe(II)循环。这一机制有效抑制了电子-空穴复合，产生了大量具有强氧化能力的空穴和超氧自由基，实现了有机污染物的高效矿化。
图6. (a) Determination of the Fe species content in the system by the o-phenanthroline spectrophotometric method; in situ X-ray photoelectron spectroscopy under illumination: (b) high-resolution spectra of O 1s and (c) high-resolution spectra of Fe 2p; (d) in situ EPR spectra of MA-PDI under illumination; (e) time-resolved in situ infrared spectra of MA-PDI/Fe3+; (f) proposed degradation reaction scheme for pollutants by MA-PDI/Fe3+.
❖ 全文小结 ❖
本研究通过简单的溶剂热法成功合成了具有大共轭π体系的MA-PDI聚合物，并利用浸渍法将Fe(III)物种固定于其表面。因MA-PDI共轭晶面上光生电子的本征积累特性与Fe(III)界面电荷转移效应的协同作用，光生电子-空穴对的分离效率得到极大提升，空穴得以大量保留并参与污染物的深度氧化。MA-PDI/Fe3+对苯酚的降解速率常数达3.369 h-1，TOC去除率达80.6%，且在真实水体和多种污染物体系中均表现出优异的催化活性与稳定性。该工作为高性能有机超分子光催化剂的设计提供了可行策略。
❖ 作者介绍 ❖
唐一鸣（Yiming Tang），华南师范大学环境学院副教授、硕士研究生导师。主要研究方向为环境功能材料与水污染控制技术。
廖雨欣（Yuxin Liao），华南师范大学环境学院硕士研究生，主要从事有机聚合物光催化剂的设计及其在环境污染控制中的应用研究。
郭燕（Yan Guo），中国科学技术大学特任研究员、博士生导师，2025年入选中国科学院人才计划。研究方向为新型有机污染物的去除；太阳光驱动废旧塑料资源化以及太阳光制氢与CO₂还原等。
❖ 文献信息 ❖
Yuxin Liao, Meichi Chong, Xiaosong Zhou, Yan Guo, Yiming Tang. Fe(III)-immobilized triazine-perylene diimide polymer as an electron reservoir for efficient pollutant mineralization via enhanced interfacial charge transfer. Environmental Science: Nano, 2026. DOI: 10.1039/d6en00331a
https://doi.org/10.1039/d6en00331a
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