共价有机框架的电荷分布与微观环境双重调控机制：提升光催化H?O?和H?的生成效率

《Advanced Materials》：Charge-Distribution and Microenvironment Dual Regulation of Covalent Organic Frameworks for Enhancing Photocatalytic H2O2 and H2 Production

质子耦合电子转移（PCET）过程与光催化剂的电荷分布及质子微环境密切相关，影响光催化活性。本研究通过共价有机框架（COFs）合成调控骨架电荷分布和微孔环境，设计Py-Bd COF、Py-Sa COF和Py-OH-Sa COF光催化剂，用于O2到H2O2及H2O到H2反应。Py-OH-Sa COF因磺酰基强吸电子效应和羟基增强的亲水性微孔环境，显著提升电荷分离效率，实现H2O2产率4.78 mmol g?1 h?1和H2产率64.21 mmol g?1 h?1，量子产率达6.52%和8.25%。该工作提出电荷分布与微环境协同调控PCET的策略，为高效光催化剂设计提供新思路。

　　

摘要

与光催化剂的电荷分布和质子环境相关的质子耦合电子转移（PCET）过程在光催化活性中起着关键作用。然而，目前还缺乏系统性的研究来探讨从分子层面考虑上述两个因素对光催化PCET过程的影响。本文合成了一系列共价有机框架（COFs）（Py-Bd COF、Py-Sa COF和Py-OH-Sa COF），通过共同调控骨架的电荷分布和孔道的微环境，将其用作O₂转化为H₂O₂以及H₂O转化为H₂的反应的光催化剂。特别是，Py-OH-Sa COF中的强吸电子磺酮基团和强供电子羟基基团增强了光生电荷的分离，并促使孔道更具亲水性，从而有效地将光诱导的电子和质子传递到催化位点。通过这种双重调控，Py-OH-Sa COF表现出较高的H₂O₂产率（4.78 mmol g^?1 h^?1）和H₂产率（64.21 mmol g^?1 h^?1）。此外，Py-OH-Sa COF在380 nm波长下对H₂O₂和H₂的产生显示出异常高的表观量子产率（AQY），分别为6.52%和8.25%。这项工作提出了一种通过共同调控光催化剂的电荷分布和微环境来精确调控PCET的重要策略，从而提高催化活性，同时也为高效光催化剂的设计和开发提供了新的见解。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。