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Unilateral Functionalization of Covalent Organic Frameworks: Local Electronic Modulation and Morphology-Enabled Mass Transport for Electrocatalytic Hydrogen Peroxide Production

化学 选择性 位阻效应 催化作用 共价键 电化学 电子效应 表面改性 合理设计 电子结构 过氧化氢 密度泛函理论 组合化学 扩散 调制(音乐) 纳米技术 光化学 氧化还原 化学工程 功能群 工作(物理) 析氧 共价有机骨架 分子 碳纤维 电催化剂 多孔性 氢 活动站点 计算化学 氧气
作者
Xueqing Xi,Chao Wang,Yali Xing,Li Lili,Daohao Li,Ziyan Dong,Yunqing Chen,Xiaojing Long
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (42): 46298-46309
标识
DOI:10.1021/jacs.6c17269
摘要

Achieving high selectivity and activity in the two-electron oxygen reduction reaction (2e- ORR) pathway critically depends on the synergistic modulation of a catalyst's electronic structure and mass diffusion channels. This work proposes an asymmetric modulation strategy via unilateral functionalization, in which -CH3, -CN, -SO3H, and -NO2 moieties are incorporated into a series of covalent organic frameworks (COFs), systematically unraveling the multilevel regulatory mechanisms exerted by functional groups from molecular to macroscopic morphological scales. The research demonstrates that introducing strong electron-withdrawing -NO2 groups can effectively enhance charge transfer at adjacent carbon active sites, reduce the formation barrier of OOH* intermediates, and induce efficient 2e- ORR activity. Concurrently, the polarity and steric effects of functional groups induce structural evolution in COFs from spherical, rod-like to spiderweb-like architectures, wherein the interconnected network of COF-NO2 substantially enhances the diffusion efficiency of reactants and products. This synergy between electronic structure and macroscopic morphology enables COF-NO2 to achieve 94% H2O2 selectivity and a high production rate of 10.5 mol gcat-1 h-1 with sustained stability. This work not only provides outstanding catalysts for efficient electrochemical H2O2 synthesis but also clarifies functional group-induced electronic and morphological modulation, offering a novel paradigm for the rational design of porous catalytic materials.
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