在供体-受体共价三嗪框架中通过激子调谐和电荷导向实现光催化氧化性能的提升

《Science China-Materials》：Exciton tuning and charge steering in donor-acceptor covalent triazine frameworks toward boosted photocatalytic oxidation

针对传统异质光催化剂存在的光吸收不足、电荷复合快及缺乏特异性反应位点等问题，本研究提出分子极化工程方法，通过构建D-A共价三嗪框架（CTFs）实现偶极诱导内建电场，增强激子分离与方向性电荷转移，使CTF-TBT催化剂在光催化氧化中表现出高效性能，其机制源于多通道电荷分离和空间分离的氧化还原位点，为太阳能驱动化学合成提供普适设计原理。

　　

摘要

传统的异质光催化剂通常存在光吸收不足、电荷复合迅速以及缺乏高效光催化氧化所需特定反应位点的问题。为克服这些限制，我们提出了一种分子极化工程方法，该方法利用结构明确的供体（D）-受体（A）共价三嗪框架（CTFs）。在D-A结构的CTFs中构建偶极诱导的内置电场，可以增强激子解离并促进定向电荷转移。具体而言，不对称的A₁-D-A₂结构单元在双受体系统CTF-TBT（A₁-D-A₂）中增强了分子极化，通过多个电子吸引单元实现高效的电荷分离。这种结构设计使得电子向次级受体（苯并噻唑，A₂）定向转移，同时将空穴集中在供体单元上。因此，A₂单元通过电子积累成为高效激活O₂的位点，而高度氧化的供体单元则提供强正电荷（h⁺），从而促进底物氧化。实验和密度泛函理论（DFT）计算结果证实，CTF-TBT表现出显著增强的光催化氧化性能，这归因于其多通道电荷分离机制和空间分离的氧化还原活性位点。本研究强调了分子偶极工程在设计具有可控电荷转移路径和改善氧化还原能力的异质光催化剂方面的有效性。所提出的设计原则为促进太阳能驱动的化学合成应用提供了一种通用方法。

传统的异质光催化剂通常存在光吸收不足、电荷复合迅速以及缺乏高效光催化氧化所需特定反应位点的问题。为克服这些限制，我们提出了一种分子极化工程方法，该方法利用结构明确的供体（D）-受体（A）共价三嗪框架（CTFs）。在D-A结构的CTFs中构建偶极诱导的内置电场，可以增强激子解离并促进定向电荷转移。具体而言，不对称的A₁-D-A₂结构单元在双受体系统CTF-TBT（A₁-D-A₂）中增强了分子极化，通过多个电子吸引单元实现高效的电荷分离。这种结构设计使得电子向次级受体（苯并噻唑，A₂）定向转移，同时将空穴集中在供体单元上。因此，A₂单元通过电子积累成为高效激活O₂的位点，而高度氧化的供体单元提供强正电荷（h⁺），从而促进底物氧化。实验和密度泛函理论（DFT）计算结果证实，CTF-TBT表现出显著增强的光催化氧化性能，这归因于其多通道电荷分离机制和空间分离的氧化还原活性位点。本研究强调了分子偶极工程在设计具有可控电荷转移路径和改善氧化还原能力的异质光催化剂方面的有效性。所提出的设计原则为促进太阳能驱动的化学合成应用提供了一种通用方法。