通过拓扑调控的共价有机框架实现的三重激子增强型过氧化氢光合作用

《Advanced Materials》：Triplet Exciton-Enhanced Photosynthesis of Hydrogen Peroxide Enabled by Topologically Tuned Covalent Organic Frameworks

人工光合作用产H2O2新策略：基于扭曲吡啶共价有机框架的材料通过拓扑调控显著提高三重激发态生成效率，形成单态氧参与的合成路径，降低能垒38.6%，在空气和氧气中产率达7.82和10.80 mmol g?1 h?1，无需牺牲剂，转换效率1.25%。

　　

摘要

人工光合作用技术可以利用水、氧气和太阳能来生成过氧化氢（H₂O₂），这是一种环保的氧化剂和清洁燃料。然而，H₂O₂的光合作用主要依赖于光生电子/空穴途径，这一途径存在较高的热力学障碍以及多种竞争性反应。三重态激子可以自发地将氧气（O₂）转化为单线态氧（¹O₂）中间体，从而绕过这些挑战，但其在光催化中的作用尚未得到充分验证。本研究通过拓扑调控策略，设计了一种基于扭曲吡啶的共价有机框架，该框架能够高效地产生三重态激子。这种扭曲结构改变了单线态与三重态之间的分子轨道重叠，使得体系间跃迁速率提高了1.8 × 10⁷倍，从而实现了三重态激子的激发和¹O₂的生成，而非光生电子和空穴的激发。由此形成了一种新的三重态激子-¹O₂-H₂O₂光合作用途径，与传统的氧化还原途径相比，其生成障碍降低了38.6%；在氧气气氛中，该途径的产率达到了10.80 mmol g^?1 h^?1，在空气中则为7.82 mmol g^?1 h^?1，且无需使用任何牺牲剂。太阳能到化学能的转化效率为1.25%。

利益冲突

作者声明不存在任何利益冲突。