Intramolecular noncovalent trans ring restricting free rotation of σ single bond enhances photosynthesis of hydrogen peroxide

化学 光化学 分子内力 非共价相互作用 共价键 二面角 氢键 共面性 动力学 接受者 光催化 能量转换效率 有机太阳能电池 发色团 化学物理 离子键合 过氧化氢 双键 光合反应中心 材料科学 析氧 单一债券 纳米技术 电荷(物理) 分子动力学 戒指(化学) 超分子组装 可逆反应 能量转换 超分子化学 化学能
作者
Yaru Guo,Youxing Liu,Lu Li,Y. Xu,Zheng Lin,Zongqiang Sun,Mingchuan Luo,Shaojun Guo,Xuliang Deng
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:123 (6): e2526675123-e2526675123 被引量:4
标识
DOI:10.1073/pnas.2526675123
摘要

Solar energy–driven hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) synthesis from atmospheric oxygen and water represents a sustainable and highly promising avenue for the production of this essential chemical. Covalent organic frameworks (COFs) offer a molecular platform for the direct conversion of solar energy to H 2 O 2 , however, they are persistently plagued by the recombination of photogenerated charge carriers, a phenomenon induced by σ-bond rotation under light irradiation, which typically leads to sluggish conversion kinetics and suboptimal efficiency. We herein present a molecular engineering strategy involving the construction of noncovalent trans rings (Nc-TRs) within COFs. This approach entails the precise introduction of noncovalent interactions between donor and acceptor moieties, thereby constraining the free rotation of σ bonds and substantially suppressing the recombination of photogenerated charge carriers. Experimental and theoretical investigations demonstrate that the incorporation of Nc-TR within TAPT-DHBD COFs reduces the molecular dihedral angle from 37.33° to 0°, thereby optimizing molecular coplanarity and prolonging the photogenerated charge carrier lifetime by 820% compared to TAPT-TPD COFs devoid of Nc-TRs. Our findings further reveal that TAPT-DHBD COFs exhibit 5.0-fold and 3.6-fold enhancements in H 2 O 2 photocatalytic conversion kinetics and solar-to-chemical conversion (SCC) efficiency, respectively, relative to TAPT-TPD COFs. We further demonstrate that H 2 O 2 solutions generated in the flow-type photocatalytic system under solar irradiation exhibit a record-high antibacterial efficacy of 10 7 cfu s −1 , and achieve a 100% wound healing rate within 7 d, markedly outperforming commercial physiological saline.
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