Efficient Proton Transfer and Charge Separation within Covalent Organic Frameworks via Hydrogen-Bonding Network to Boost H2O2 Photosynthesis

共价键 质子 电荷(物理) 氢键 人工光合作用 化学物理 化学 材料科学 纳米技术 物理 分子 核物理学 催化作用 有机化学 粒子物理学 光催化
作者
Yan Lin,Juncong Zou,Xin Wu,Shehua Tong,Qiuya Niu,Shanying He,Shenglian Luo,Chunping Yang
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:24 (21): 6302-6311 被引量:95
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.4c01048
摘要

Photocatalytic synthesis based on the oxygen reduction reaction (ORR) has shown great promise for H2O2 production. However, the low activity and selectivity of 2e– ORR result in a fairly low efficiency of H2O2 production. Herein, we propose a strategy to enhance the proton-coupled electron transfer (PCET) process in covalent organic frameworks (COFs), thereby significantly boosting H2O2 photosynthesis. We demonstrated that the construction of a hydrogen-bonding network, achieved by anchoring the H3PO4 molecular network on COF nanochannels, can greatly improve both proton conductivity and photogenerated charge separation efficiency of COFs. Thus, COF@H3PO4 exhibited superior photocatalytic performance in generating H2O2 without sacrificial agents, with a solar-to-chemical conversion efficiency as high as 0.69%. Results indicated that a much more localized spatial distribution of energy band charge density on COF@H3PO4 led to efficient charge separation, and the small energy barrier of the rate-limiting step from *OOH to H2O2 endowed COF@H3PO4 with higher 2e– ORR selectivity.
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