Covalent organic frameworks for direct photosynthesis of hydrogen peroxide from water, air and sunlight

过氧化氢 光化学 分子内力 化学 光催化 共价键 人工光合作用 光合作用 量子产额 电子转移 分解水 电子受体 接受者 析氧 材料科学 化学工程 电化学 催化作用 有机化学 电极 物理化学 工程类 物理 荧光 量子力学 生物化学 凝聚态物理
作者
Fuyang Liu,Peng Zhou,Yanghui Hou,Hao Tan,Yin Liang,Jialiang Liang,Qing Zhang,Shaojun Guo,Meiping Tong,Jinren Ni
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1): 4344-4344 被引量:331
标识
DOI:10.1038/s41467-023-40007-4
摘要

Solar-driven photosynthesis is a sustainable process for the production of hydrogen peroxide, the efficiency of which is plagued by side reactions. Metal-free covalent organic frameworks (COFs) that can form suitable intermediates and inhibit side reactions show great promise to photo-synthesize H2O2. However, the insufficient formation and separation/transfer of photogenerated charges in such materials restricts the efficiency of H2O2 production. Herein, we provide a strategy for the design of donor-acceptor COFs to greatly boost H2O2 photosynthesis. We demonstrate that the optimal intramolecular polarity of COFs, achieved by using suitable amounts of phenyl groups as electron donors, can maximize the free charge generation, which leads to high H2O2 yield rates (605 μmol g-1 h-1) from water, oxygen and visible light without sacrificial agents. Combining in-situ characterization with computational calculations, we describe how the triazine N-sites with optimal N 2p states play a crucial role in H2O activation and selective oxidation into H2O2. We further experimentally demonstrate that H2O2 can be efficiently produced in tap, river or sea water with natural sunlight and air for water decontamination.
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