Rational Design of Covalent Heptazine Frameworks with Spatially Separated Redox Centers for High‐Efficiency Photocatalytic Hydrogen Peroxide Production

光催化 材料科学 氧化还原 人工光合作用 光化学 析氧 共价键 分解水 催化作用 化学工程 纳米技术 化学 电化学 有机化学 物理化学 电极 工程类 冶金
作者
Hao Cheng,Haifeng Lv,Jun Cheng,Lei Wang,Xiaojun Wu,Hangxun Xu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (7): e2107480-e2107480 被引量:374
标识
DOI:10.1002/adma.202107480
摘要

The redox reaction centers in natural organisms conducting oxygenic photosynthesis are well arranged in a physically separated manner to convert sunlight into chemical energy efficiently. Mimicking natural photosynthesis via precisely constructing oxidative and reductive reaction centers within photocatalysts is ideal for enhancing catalytic performances in artificial photosynthesis. In this study, new covalent heptazine frameworks (CHFs) with spatially separated redox centers are rationally designed for photocatalytic production of H2 O2 from water and oxygen without using any sacrificial agents. Both experimental and computational investigations indicate that the two-electron oxygen reduction reaction occurs on the heptazine moiety, whereas the two-electron water oxidation reaction occurs on the acetylene or diacetylene bond in the CHFs. This unique spatial separation feature is critical for enhancing charge separation and achieving efficient H2 O2 production. Meanwhile, the measured exciton binding energy of the diacetylene-containing polymer is merely 24 meV. Under simulated solar irradiation, the rationally designed CHFs can achieve a solar-to-chemical conversion efficiency of 0.78%, surpassing previously reported photocatalytic materials. This study establishes a molecular engineering approach to construct periodically arranged and spatially separated redox centers in single-component polymer photocatalysts, representing a hallmark to create more exciting polymer structures for photocatalysis moving forward.
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