Regulating Water Oxidation Pathways via Enzyme‐Inspired Microenvironment in Covalent Organic Frameworks for Overall H 2 O 2 Photosynthesis

过氧化氢 化学 共价键 合理设计 动力学 共价有机骨架 纳米技术 人工光合作用 组合化学 催化作用 材料科学 光合作用 电化学 化学工程 光化学 机制(生物学) 分解水 设计要素和原则 可持续能源 反应机理 可持续生产 猝灭(荧光) 工作(物理) 激进的 有机化学 密度泛函理论 氧化还原 药物输送 偶极子 降级(电信) 位阻效应
作者
Zi‐Shuo Xu,Ruizhi Zhang,Peng Yang,Jieyu Yue
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.76303
摘要

ABSTRACT Photocatalytic H 2 O 2 production represents a sustainable and environmentally benign alternative to the energy‐intensive industrial anthraquinone process. Nevertheless, its practical viability remains fundamentally bottlenecked by the sluggish kinetics of the water oxidation reaction (WOR). Herein, we report a pore microenvironment engineering within covalent organic frameworks (COFs) to precisely steer the WOR paths. Inspired by the spatial arrangement of functional groups in natural enzymes, we construct a biomimetic microenvironment by integrating synergistic bipyridine and hydroxyl moieties into the COF backbone. This design successfully diverts the mechanism from the kinetically formidable four‐electron pathway toward a kinetically privileged two‐electron route. The resulting BPD‐COF achieves a remarkable hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) production rate of 5145 µmol g −1 h −1 in air and pure water, outperforming its monofunctional counterparts by factors of 2.0 and 4.3, respectively. Theoretical simulations reveal that the targeted introduction of hydroxyl groups substantially amplifies the localized dipole moment and optimizes the electron–hole separation descriptors, thereby inducing favorable electronic states that reconfigures the thermodynamic energy barriers for critical *OH, *HOOH, and *O intermediates. This work highlights the pivotal role of pore microenvironment engineering in dictating reaction pathways and offers a conceptual blueprint for the rational design of high‐performance artificial photosynthesis platforms.
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