Catalytic Linkage Engineering of Covalent Organic Frameworks for the Oxygen Reduction Reaction

亚胺 恶唑 催化作用 化学 共价键 酰胺 杂原子 组合化学 叠氮 质子化 有机化学 离子 戒指(化学)
作者
Xuewen Li,Shuai Yang,Minghao Liu,Xiubei Yang,Qing Xu,Gaofeng Zeng,Zheng Jiang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:62 (30) 被引量:54
标识
DOI:10.1002/anie.202304356
摘要

Metal-free covalent organic frameworks (COFs) have been employed to catalyze the oxygen reduction reaction (ORR). To achieve high activity and selectivity, various building blocks containing heteroatoms and groups linked by imine bonds were used to create catalytic COFs. However, the roles of linkages of COFs in ORR have not been investigated. In this work, the catalytic linkage engineering has been employed to modulate the catalytic behaviors. To create single catalytic sites while avoiding other possible catalytic sites, we synthesized COFs from benzene units linked by various bonds, such as imine, amide, azine, and oxazole bonds. Among these COFs, the oxazole-linkage in COFs enables to catalyze the ORR with the highest activity, which achieved a half-wave potential of 0.75 V and a limited current density of 5.5 mA cm-2 . Moreover, the oxazole-linked COF achieved a conversion frequency (TOF) value of 0.0133 S-1 , which were 1.9, 1.3, and 7.4-times that of azine-, amide- and imine-COFs, respectively. The theoretical calculation showed that the carbon atoms in oxazole linkages facilitated the formation of OOH* and promoted protonation of O* to form the OH*, thus advancing the catalytic activity. This work guides us on which linkages in COFs are suitable for ORR.
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