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高質量乙烯基共價有機骨架的制備及光解水產氫的研究
發布時間：2023-03-16 瀏覽量：2432
1. 文章信息
標題： Photocatalytic Hydrogen Production on a sp2-Carbon-Linked Covalent Organic Framework
中文標題：高質量乙烯基共價有機骨架的制備及光解水產氫的研究
頁碼： e202208919
DOI： 10.1002/anie.202208919
2. 文章鏈接
https://doi.org/10.1002/anie.202208919
3. 期刊信息
期刊名：Angewandte Chemie International Edition
ISSN： 1433-7851
2022年影響因子： 16.823
分區信息： 中科院一區Top；JCR分區（Q1）
涉及研究方向： 化學研究的各個領域
4. 作者信息：第一作者是 吉林大學博士研究生馬思和浙江大學杭州國際科創中心的鄧天琪研究員 。通訊作者為 吉林大學的劉曉明教授、夏虹教授和新加坡高性能計算研究院的吳剛研究員
5. 光催化活性評價系統型號：CEL-SPH2N；氙燈光源型號：CEL-HXF300。
光催化水分解產氫是將太陽能轉化為化學能的有效方法之一，可以在一定程度上緩解日益嚴重的能源短缺和環境污染問題。光催化劑在太陽能轉化過程中起著不可或缺的作用，因為它們負責光的吸收，載流子的產生和傳輸以及催化劑表面的氧化還原反應。自1972年Fujishima和Honda開創性地報道了TiO2光電極上的光催化制氫的研究以來，研究者們在此基礎上進行了大量探索和嘗試，相繼開發出了以鈦酸鍶和硫化鎘為代表的無機半導體材料，金屬有機骨架為代表的無機有機雜化材料和g-C3N4等有機半導體材料。然而，可修飾性差、吸光能力不足和低比表面積等缺陷的存在，限制了性能的提高和進一步實際性應用發展。近年來，二維共價有機骨架作為一種獨特的晶態有機多孔材料被廣泛應用于光催化領域，其中在光催化水分解析氫方向上的研究倍受關注，穩定連接和高催化活性的二維共價有機骨架光催化劑的設計和合成自然而然地成為了研究熱點。
本工作通過梯度升溫策略，采用廉價易得的2,4,6-三（4-甲酰基苯基）-1,3,5-三嗪和1,4-對苯二乙腈作為共聚單體，成功制備了高結晶性和大比表面積的穩定乙烯基連接的COF-JLU100（圖1）。在抗壞血酸（AA）和三乙醇胺（TEoA）這兩種犧牲試劑（SED）體系中的最高析氫速率分別為87565 μmol g-1 h-1和107380 μmol g-1 h-1，超過了先前報道的基于COF的光催化劑的活性，最高速率為經典的N3-COF的13倍。即使在模擬太陽光的照射下，兩種犧牲試劑中均能獲得較高的析氫速率。表觀量子效率測得COF-JLU100在450 nm處的最高AQY為5.13%，這是目前報道的乙烯基連接COF的最高記錄。此外，COF-JLU100在兩種犧牲試劑條件下均能實現五次循環利用，且速率無明顯降低，說明COF-JLU100具有較高的穩定性和優異的可重復使用性。（圖2）
進一步地，我們還通過一系列表征和理論計算相結合，詳細討論了COFs結構與光催化性能之間的關系。COF-JLU100中的氰基乙烯片段，不僅增強了層間π-電子耦合，擴展了可見光響應范圍，誘導更多的光生載流子，而且促使形成獨立的電子和空穴π-柱傳輸通道，有利于載流子傳輸與分離。此外，COF-JLU100較高的表面親水性，促進了催化劑顆粒在水中的分散，有利于光的吸收與利用，同時有助于光催化劑與水/犧牲試劑之間的相互作用。因此，COF-JLU100在光解水析氫性能中表現出高催化活性和穩定性。（圖3）
總的來說，論文中報道了高結晶性和大比表面積的乙烯基共價有機骨架COF-JLU100的制備及高效光解水析氫性能，促進了在分子水平上新型COF基光催化劑的設計和合成及其在太陽能轉換中的應用。