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高質(zhì)量乙烯基共價有機(jī)骨架的制備及光解水產(chǎn)氫的研究
發(fā)布時間：2023-03-16 瀏覽量：1471
1. 文章信息
標(biāo)題： Photocatalytic Hydrogen Production on a sp2-Carbon-Linked Covalent Organic Framework
中文標(biāo)題：高質(zhì)量乙烯基共價有機(jī)骨架的制備及光解水產(chǎn)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(qū)信息： 中科院一區(qū)Top；JCR分區(qū)（Q1）
涉及研究方向： 化學(xué)研究的各個領(lǐng)域
4. 作者信息：第一作者是 吉林大學(xué)博士研究生馬思和浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心的鄧天琪研究員 。通訊作者為 吉林大學(xué)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(tǒng)型號：CEL-SPH2N；氙燈光源型號：CEL-HXF300。
光催化水分解產(chǎn)氫是將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的有效方法之一，可以在一定程度上緩解日益嚴(yán)重的能源短缺和環(huán)境污染問題。光催化劑在太陽能轉(zhuǎn)化過程中起著不可或缺的作用，因?yàn)樗鼈冐?fù)責(zé)光的吸收，載流子的產(chǎn)生和傳輸以及催化劑表面的氧化還原反應(yīng)。自1972年Fujishima和Honda開創(chuàng)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(chǔ)上進(jìn)行了大量探索和嘗試，相繼開發(fā)出了以鈦酸鍶和硫化鎘為代表的無機(jī)半導(dǎo)體材料，金屬有機(jī)骨架為代表的無機(jī)有機(jī)雜化材料和g-C3N4等有機(jī)半導(dǎo)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(jìn)一步實(shí)際性應(yīng)用發(fā)展。近年來，二維共價有機(jī)骨架作為一種獨(dú)特的晶態(tài)有機(jī)多孔材料被廣泛應(yīng)用于光催化領(lǐng)域，其中在光催化水分解析氫方向上的研究倍受關(guān)注，穩(wěn)定連接和高催化活性的二維共價有機(jī)骨架光催化劑的設(shè)計和合成自然而然地成為了研究熱點(diǎn)。
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(jié)晶性和大比表面積的穩(wěn)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(jīng)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(shí)現(xiàn)五次循環(huán)利用，且速率無明顯降低，說明COF-JLU100具有較高的穩(wěn)定性和優(yōu)異的可重復(fù)使用性。（圖2）
進(jìn)一步地，我們還通過一系列表征和理論計算相結(jié)合，詳細(xì)討論了COFs結(jié)構(gòu)與光催化性能之間的關(guān)系。COF-JLU100中的氰基乙烯片段，不僅增強(qiáng)了層間π-電子耦合，擴(kuò)展了可見光響應(yīng)范圍，誘導(dǎo)更多的光生載流子，而且促使形成獨(dú)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(jìn)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(xiàn)出高催化活性和穩(wěn)定性。（圖3）
總的來說，論文中報道了高結(jié)晶性和大比表面積的乙烯基共價有機(jī)骨架COF-JLU100的制備及高效光解水析氫性能，促進(jìn)了在分子水平上新型COF基光催化劑的設(shè)計和合成及其在太陽能轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用。