Covalent Organic Framework Photocatalysts: Decoding Linkage Chemistry in Hydrogen Peroxide Synthesis From Air and Water

化学 共价键 光化学 过氧化氢 分解水 超分子化学 光催化 析氧 氢键 互变异构体 氧气 产量(工程) 催化作用 分解 氧化还原 QM/毫米 密度泛函理论 发色团 电化学 组合化学 量子产额 水溶液 联动装置(软件) 共价有机骨架 纳米技术 光系统II 载流子
作者
Yongzhi Chen,Xinyu Mu,Sailun Ji,K C Kuo,Tie Wang,Yuanyuan Guo,Yusuke Tsutsui,Ning Yan,Shu Seki,Xiong Chen,Donglin Jiang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:: e7106219-e7106219
标识
DOI:10.1002/anie.7106219
摘要

ABSTRACT Covalent organic frameworks (COFs) provide a polymer platform for exploring covalent linkages to design ordered skeletal and porous architectures. However, the role of linkages in controlling structural and functional evolutions remains to be well explored. In this study, we reported hexaphenyltriphenylene COF photocatalysts constructed with ketazine or azine linkages that differ by a single pinpoint methyl substituent, enabling a controlled interrogation of linkage chemistry. Unexpectedly, the ketazine linkage enhances water uptake, accelerates transport, and directs water confinement within trigonal pores. Simultaneously, it modulates the π‐electronic structure through hyperconjugation and inductive/resonance effects, extends light absorption, lowers exciton binding energy, prolongs charge‐separated lifetimes, and promotes balanced charge transport. These synergistic structural and electronic evolutions translate into exceptional photocatalysis for hydrogen peroxide production from air and water under ambient conditions. Ketazine‐HPTP‐COF achieves a production rate of 8.17 mmol g −1 h −1 with an apparent quantum yield of 15.1% at 420 nm, outperforming azine‐linked, amorphous, and other photocatalysts. The system operates under sunlight, enabling scalable production, and maintains activity across tap water, rainwater, and seawater. Mechanistic studies reveal dense yet spatially resolved photocatalytic sites, where linkage sites mediate oxygen reduction and knot units drive water oxidation, promoting photosynthesis through efficient charge and mass transport.
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