Covalent Organic Framework Nanoplates Enable Solution-Processed Crystalline Nanofilms for Photoelectrochemical Hydrogen Evolution

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作者
Liang Yao,Andrés Rodríguez‐Camargo,Meng Xia,David Mücke,Roman Guntermann,Yongpeng Liu,Lars Grunenberg,Alberto Jiménez‐Solano,Sebastian T. Emmerling,Viola Düppel,Kevin Sivula,Thomas Bein,Haoyuan Qi,Ute Kaiser,Michaël Grätzel,Bettina V. Lotsch
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (23): 10291-10300 被引量:73
标识
DOI:10.1021/jacs.2c01433
摘要

As covalent organic frameworks (COFs) are coming of age, the lack of effective approaches to achieve crystalline and centimeter-scale-homogeneous COF films remains a significant bottleneck toward advancing the application of COFs in optoelectronic devices. Here, we present the synthesis of colloidal COF nanoplates, with lateral sizes of ∼200 nm and average heights of 35 nm, and their utilization as photocathodes for solar hydrogen evolution. The resulting COF nanoplate colloid exhibits a unimodal particle-size distribution and an exceptional colloidal stability without showing agglomeration after storage for 10 months and enables smooth, homogeneous, and thickness-tunable COF nanofilms via spin coating. Photoelectrodes comprising COF nanofilms were fabricated for photoelectrochemical (PEC) solar-to-hydrogen conversion. By rationally designing multicomponent photoelectrode architectures including a polymer donor/COF heterojunction and a hole-transport layer, charge recombination in COFs is mitigated, resulting in a significantly increased photocurrent density and an extremely positive onset potential for PEC hydrogen evolution (over +1 V against the reversible hydrogen electrode), among the best of classical semiconductor-based photocathodes. This work thus paves the way toward fabricating solution-processed large-scale COF nanofilms and heterojunction architectures and their use in solar-energy-conversion devices.
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