化学与化工学院谭必恩团队联合合工大在光催化聚合领域获进展-华中科技大学新闻网

化学与化工学院谭必恩团队联合合工大在光催化聚合领域获进展

发布时间：2026.05.18

来源：化学与化工学院 编辑：张雯怡 浏览次数：

新闻网讯 5月14日，我校化学与化工学院谭必恩教授团队联合合肥工业大学何涛教授、夏磊副教授团队，在国际著名期刊《自然·通讯》（Nature Communications）发表题为 “Heterogeneous photocatalyst enables large-scale broadband light-driven atom transfer radical polymerization with high oxygen and inhibitor tolerance” 的研究论文。该研究开发出一种新型异相光催化剂，成功实现了近工业规模的耐氧、耐阻聚剂光氧化还原/铜催化原子转移自由基聚合（PC/Cu-ATRP），解决了该技术长期面临的规模化应用瓶颈。

可逆失活自由基聚合（RDRP）是精准合成功能高分子的核心技术，能够精确调控聚合物的分子量、分布及构型。其中铜催化原子转移自由基聚合（Cu-ATRP）因适用单体广、反应条件温和等优势得到广泛关注，但传统体系对氧气和单体中常见的苯酚类阻聚剂极度敏感。在实际工业生产中，必须进行繁琐的脱氧处理和单体纯化步骤，大幅增加了能耗与成本，严重制约了其大规模应用。尽管近年来耐氧聚合研究取得一定进展，但在大体积反应容器（表面积/体积比降低导致传质受限）以及氧气与高浓度阻聚剂共存的复杂条件下，如何同时保持聚合的可控性与高效性，仍是学术界和工业界亟待攻克的重大难题。

图1.PC/Cu-ATRP的氧气与阻聚剂转化机制以及聚合结果

基于前期在共轭超交联聚合物光催化领域的研究基础，合作团队通过构筑单元工程策略，设计合成了一种红菲罗啉基共轭超交联聚合物（Phen-CHCP），并将其作为异相光催化剂应用于PC/Cu-ATRP体系（图1）。该催化剂为红菲罗啉单元构建的三维超交联网络，不仅提供了丰富的金属螯合位点，还通过吡啶环结构显著促进了氧气的吸附与富集，同时异相特性便于后续催化剂的分离回收与循环利用。

实验结果表明，该催化体系展现出极强的环境耐受性：在高达80%(v/v)的空气含量或5000 ppm苯酚类阻聚剂存在下，单体转化率普遍超过95%，产物分子量分布窄（Đ<1.12），保持了优异的聚合可控性。此外，该体系可响应从蓝光到近红外光（940 nm）的宽波段光源，甚至在太阳光照射下也能实现高效可控聚合。

尤为重要的是，团队成功完成了20升规模的嵌段共聚物（PMEA-b-PBA）原位合成实验。在不脱氧、不纯化单体、以廉价CuBr为初始铜源的工业级条件下，单体转化率达96%，产物分子量分布为1.26，这是目前国际上报道的光催化RDRP技术的最大反应规模。

研究团队通过系统的光谱表征与理论计算，深入揭示了该体系优异性能的内在机制。传统PC/Cu-ATRP中，激发态光催化剂（PC*）在动力学上优先向Cu^II/L-X发生电子转移；而本工作中，异相光催化剂对反应物种的预吸附作用改变了反应路径，使得PC*与引发剂R-X的电子转移速率与向Cu^II/L-X的转移速率达到相同数量级，部分条件下甚至优先与R-X反应。

团队进一步利用带有光镊的激光共聚焦拉曼光谱，原位观测了光催化剂界面的物种转化行为，结合理论计算确认：光照后界面处R-X主导的光淬灭反应生成的Br⁻离子，可与苯酚类阻聚剂形成稳定氢键，从而有效钝化阻聚剂的活性，这一发现阐明了光淬灭反应路径改变与阻聚剂耐受性之间的构效关系。