Rational Design of Covalent Organic Frameworks with Redox-Active Catechol Moieties for High-Performance Overall Photosynthesis of Hydrogen Peroxide

过氧化氢 合理设计 氧化还原 儿茶酚 化学 催化作用 共价键 光合作用 组合化学 光化学 有机化学 纳米技术 材料科学 生物化学
作者
Shufan Feng,Hao Cheng,Feng Chen,Xinman Liu,Zhiqiang Wang,Hangxun Xu,Jianli Hua
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:: 7736-7745
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c01411
摘要

Covalent organic frameworks (COFs) have emerged as promising candidates for solar-driven photosynthesis of hydrogen peroxide (H2O2), yet the development of high-performance COFs tailored for practical applications presents substantial challenges. This research introduces the integration of the redox-active catechol moiety into a series of COFs (TPE-COF-OH, TPB-COF-OH, and TPP-COF-OH), serving as the pivotal active site for photocatalytic oxygen (O2) reduction to H2O2 through a reversible catechol-quinone interconversion mechanism. This process facilitates the transformation of catechol to o-benzoquinone in the presence of molecular O2, while photoexcited electrons are utilized to revert o-benzoquinone to catechol, reducing the energy barrier for H2O2 synthesis. Notably, TPB-COF-OH demonstrates an unparalleled H2O2 production rate of 6608 μmol h–1 g–1, outperforming its molecular counterpart, TPB-COF-OMe, which lacks the redox-active catechol unit. Furthermore, TPB-COF-OH achieves a solar-to-chemical conversion efficiency of 0.84%, marking the highest value among COF-based photocatalysts in solar-driven H2O2 production. This investigation not only underscores the critical role of molecular engineering in enhancing COF performance but also broadens the horizon for solar-to-chemical energy conversion technologies.
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