Charge‐Delocalizing sp‐Hybridized COFs for Selective H 2 O 2 Electrosynthesis

化学 催化作用 电合成 法拉第效率 乙炔 吸附 组合化学 共价键 光化学 选择性 乙二醛 电化学 过氧化氢 氢 化学合成 双键 化学吸附 连接器
作者
Changqing Li,Yuqiang Huang,Zilin Lu,Zhao Qiao,Yongxuan Jiang,Zhongping Li,Yucheng Jin,Siliu Lyu,Lipeng Zhai,Jong‐Beom Baek,Sang‐Young Lee
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:: e3570658-e3570658
标识
DOI:10.1002/anie.3570658
摘要

ABSTRACT Hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is an important oxidant for chemical manufacturing, environmental remediation, and biomedical applications, yet its industrial production still relies mainly on the energy‐intensive anthraquinone process. Electrochemical H 2 O 2 synthesis via the two‐electron oxygen reduction reaction (2e − ORR) provides a sustainable alternative but is often hindered by sluggish charge transport and insufficient O 2 activation. Here, we develop a bond‐hybridization strategy by incorporating sp‐hybridized acetylene units into the vertex or linker of covalent organic frameworks (COFs). The resulting COFs feature extended π‐conjugation, enhanced charge delocalization, and electronically polarized pores, thereby strengthening O 2 adsorption and activation. Compared with sp 2 ‐dominated analogues, these sp‐hybridized COFs show faster charge‐transfer kinetics, higher H 2 O 2 selectivity, and improved 2e − ORR activity. In a flow cell, the optimized catalyst delivers an H 2 O 2 production rate of 27.8 mol g −1 h −1 and a peak Faradaic efficiency of 91.7% at 150 mA cm −2 . Mechanistic analyses combining electronic‐structure calculations and in situ vibrational spectroscopy reveal that sp hybridization reshapes frontier‐orbital distributions and local charge density, thereby coupling framework‐wide charge delocalization with favorable O 2 adsorption and *OOH stabilization. These results establish bond hybridization as a molecular‐level design parameter for catalytic selectivity in COFs, extending framework engineering beyond conventional functional‐group and building‐block modification.
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