COFs大咖!新加坡国立江东林最新Nature Synthesis!

COFs大咖!新加坡国立江东林最新Nature Synthesis!
第一作者:Yongzhi Chen, Ruoyang Liu, Yuanyuan Guo
通讯作者:江东林
通讯单位:新加坡国立大学
论文速览
共价有机框架(COFs)具有有序的π骨架和对齐的纳米孔,可能是理想的光催化材料,但仍未开发用于此用途。本研究成功开发了一种高效的光催化剂,利用系统设计的COFs的π骨架和孔洞,实现了通过水和空气光合成过氧化氢(H2O2)。
这种光催化剂具有给体-受体型排列,能够在光照下转化为催化支架,具有密集的氧还原和水氧化催化位点,并通过空间分离的给体和受体柱来防止电荷复合,从而促进快速电荷传输。孔壁被设计成亲水性的,使水和溶解氧能够通过一维通道,借助毛细效应到达催化位点。这些COFs作为光催化剂,仅使用水、空气和光,在批量反应器中实现了高达7.2 mmol g-1 h-1的生产速率,18.0%的最佳表观量子产率和0.91%的太阳能到化学能的转换效率。
此外,集成这些COFs的流动反应器能够在环境条件下连续生产纯净的H2O2溶液,产量超过15升,并展现出超过两周使用时间的操作稳定性。
图文导读
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图1:光催化COFs设计用于制造H2O2的概念,包括六价三苯基结提供高密度的催化位点,以及具有亲水性侧链的一维通道,促进水和溶解氧的传输。
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图2:TP-DPBD1O-COF、TP-DPBD2O-COF和TP-DPBD3O-COF的2D供体-受体骨架和堆叠结构的示意图及重建晶体结构。
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图3:TP-DPBD3O-COF的化学和晶体结构,包括红外光谱、核磁共振谱、扫描电子显微镜图像、X射线衍射图谱和晶体结构单元的顶视图和侧视图。
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图4:TP-DPBD1O-COF、TP-DPBD2O-COF和TP-DPBD3O-COF的光物理和电化学性质,包括固态电子吸收光谱、投影态密度、荧光衰减曲线、瞬态吸收光谱、光电流密度和Tauc图。
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图5:TP-DPBD1O-COF、TP-DPBD2O-COF和TP-DPBD3O-COF的氢键和前沿轨道,包括分子内和分子间氢键以及最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)。
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图6:定制的1D通道和水蒸气吸附,包括氮气吸附等温线、孔径分布、孔体积和水蒸气吸附等温线。
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图7:光催化性能和活性位点,包括批量反应器性能、H2O2生产率、表观量子效率、光电流密度和电子顺磁共振谱。
总结展望
本研究通过精心设计的COFs材料,实现了水和空气到过氧化氢的高效光合成。通过构建供体-受体型的π骨架和优化的1D亲水通道,作者成功解决了光催化过程中电荷载流子生成不足、催化位点数量有限和电荷及反应物及时传输的问题。
所得到的COFs光催化剂不仅在批量反应器中表现出色,还在流动系统中展现了连续生产H2O2的潜力,同时保持了良好的操作稳定性。这些发现为设计新型光催化剂提供了重要的结构设计原则,并为通过人工光合作用可持续生产化学品铺平了道路。
文献信息
标题:Hierarchical assembly of donor–acceptor covalent organic frameworks for photosynthesis of hydrogen peroxide from water and air
期刊:Nature Synthesis
DOI:10.1038/s44160-024-00542-4

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