用于增强光催化过氧化氢产生的多孔有机笼体的分子工程

《Science China-Chemistry》：Molecular engineering of porous organic cages for enhancing photocatalytic H2O2 production

光催化制备过氧化氢的新策略：基于可调控官能团的超分子多孔材料，H-POC、OMe-POC和OH-POC的产率分别为527、670和976 μmol h?1 g?1，光热协同下OH-POC产率达2748 μmol h?1 g?1。通过调控分子结构增强水亲和性、光吸收及电荷分离转移，揭示了双电子转移ORR和单电子转移WOR的协同机理，并验证了OH-POC对四环素和噻唑苯并硫酮的降解能力。

　　

摘要

光催化为从氧气和水中生产过氧化氢（H₂O₂）提供了一种绿色方法。尽管已经设计了许多具有不同结构的材料用于光催化生成H₂O₂，但超分子多孔材料的相关研究却很少。本文中，我们合理制备了三种通过亚胺键连接的[3+6]型多孔有机框架（POCs），这些多孔有机框架含有苯并恶唑单元，并带有可调节的功能基团（R = H, OMe, OH），分别命名为H-POC、OMe-POC和OH-POC，用于在光照条件下在水和氧气中生成H₂O₂。实验结果表明，随着功能基团从H、OMe变为OH，其性能得到提升，相应的H₂O₂产率分别为527、670和976 μmol h^?1 g^?1。此外，在光和热（70 °C）的协同作用下，OH-POC的H₂O₂产率进一步提高至2748 μmol h^?1 g^?1。光物理和电化学研究表明，功能基团的调节增强了材料的亲水性、光吸收能力以及电荷分离/转移效率。此外，还揭示了H₂O₂生成过程中涉及的两步1e^?氧化反应（ORR）和直接2e^?水分解反应（WOR）的机理。值得注意的是，OH-POC在降解水中的环境污染物（如盐酸四环素和巯基苯并噻唑）方面表现出卓越的性能。本研究从分子结构设计的角度，为基于POCs平台的光催化剂合理设计提供了新的思路。