Inverse Design of Anthraquinone-Mimicking COFs via Electronic Fingerprints for Sacrificial-Agent-Free Photocatalytic H 2 O 2 Production under Visible Light

化学 光催化 可见光谱 蒽醌 催化作用 反应性(心理学) 光化学 质子化 反向 金属有机骨架 共价键 组合化学 纳米技术 电子结构 金属 相似性(几何) 析氧 碳纤维 化学工程 电解水 分解水
作者
Y N Wu,Qixun Shi,Dayong Wang,Luyao Guo,H Liu,Lei Wang,Hangxun Xu,吕松 Lü Song,Haifeng Lv,Chuan Wang,Xiaojun Wu,Jie Yang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c02299
摘要

Photocatalytic H2O2 production from H2O and O2 provides a sustainable alternative to the energy-intensive, multistep anthraquinone (AQ) process that relies on metal catalysts (e.g., Pd/Ni). Although many photocatalysts have been explored, achieving high efficiency under sacrificial-agent-free conditions with a rationally defined active site remains challenging. Here, we report an inverse-design strategy for covalent organic frameworks (COFs) based on “boat-like C═N-conjugated fragments” (−C═N–C═N– or −N═C–C═N−) which mimic key AQ reactivity by integrating active molecular fragments into periodic frameworks through a bottom-up approach. First-principles calculations identified 39 molecular fragments, including 36 newly proposed structures, and demonstrated their ability to drive the two-electron oxygen reduction reaction via sequential protonation and electron transfer. Unlike conventional single-property descriptors (e.g., band gap), we introduce a holistic electronic activity descriptor based on density-of-states (DOS) similarity to screen 106 designed COFs. This electronic fingerprint identified 11 candidates with >70% total DOS and >60% carbon partial DOS similarity relative to a high-performance reference. Subsequent Gibbs free-energy analyses predict that 9 candidates can support sacrificial-agent-free H2O2 production under visible light, corresponding to a theoretical screening success rate of approximately 81%. Experimental validation included the synthesis of TRI-BIP-TRI (TBiT) via trifluoromethanesulfonic acid-catalyzed cyclotrimerization. Under visible light (>400 nm) in pure water under O2, TBiT produces H2O2 at 3084.27 μmol g–1 h–1 without sacrificial agents. These results establish a computation-guided framework for designing COF photocatalysts for sustainable H2O2 production.
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