Directional‐Polarity Engineering in Bithiophene‐Based Covalent Organic Frameworks Enables Selective Electron‐Transfer‐Mediated 1 O 2 Photocatalysis for Coupled H 2 O 2 Production and Furfuryl Alcohol Upgrading

光催化 化学 氧气 动力学 光化学 反应中间体 单线态氧 激进的 共价键 催化作用 吸附 糠醇 析氧 电子转移 加合物 材料科学 反应中间体 载流子 反应机理 直接的
作者
Shihao Zhao,Jianjun Cheng,Chengtao Gao,Jili Yuan,Bo Wu,Xi‐Sheng Wang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:65 (44) 被引量:1
标识
DOI:10.1002/anie.9210897
摘要

ABSTRACT Selective photocatalytic generation of 1 O 2 through electron‐transfer pathways represents an attractive alternative to conventional triplet‐sensitized photooxygenation, yet remains limited by uncontrolled oxygen activation and poor reactive oxygen species (ROS) selectivity. Herein, we report a directional‐polarity engineering strategy that programs charge kinetics and interfacial‐O 2 activation in bithiophene‐based covalent organic frameworks (COFs) for selective O 2 →•O 2 − → 1 O 2 conversion. Systematic modulation of donor–acceptor polarity identifies a highly polarized bithiophene‐imine‐triazine framework that lowers exciton binding energy, accelerates ultrafast charge separation, and establishes directional electron transfer from bithiophene to adsorbed O 2 . Mechanistic studies reveal that this polarized framework thermodynamically promotes O 2 activation to •O 2 − via a bithiophene‐superoxide‐mediated pathway, followed by hole‐driven oxidation of •O 2 − at the adjacent phenylene units to generate 1 O 2 . 18 O 2 /H 2 18 O isotope‐labeling experiments and theoretical calculations reveal that 1 O 2 ‐mediated Achmatowicz rearrangements are dominated by non‐exchange pathways, together with minor favorable water‐mediated oxygen‐exchange pathways responsible for the observed oxygen scrambling during coupling furfuryl‐alcohol oxidation and H 2 O 2 formation. The optimized COFs achieve 1 O 2 generation rates of 769.6 µmol L −1 min −1 and H 2 O 2 productivity of 52.7 mmol g −1 h −1 while enabling near‐quantitative furfuryl‐alcohol upgrading under ambient conditions. This work establishes directional‐polarity engineering as a molecular strategy for steering electron‐transfer oxygen activation and selective ROS photocatalysis in crystalline organic semiconductors.
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