近期,我校网格材料化学研究团队设计、合成了一类新型的一种基于环辛四噻吩基的多孔芳香骨架(COTh-PAFs)。在可见光照射下,COTh-PAFs可催化大自然中丰富的水和氧气高效合成过氧化氢(H2O2),相关研究成果以“Rationally Designed Cyclooctatetrathiophene-based Porous Aromatic Frameworks (COTh-PAFs) for Efficient Photocatalytic Hydrogen Peroxide Production”为题,发表在德国化学会旗舰期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。该成果一经发表,立即引起国内外相关领域的学术同行和媒体大量转发、报道。


  H2O2是一种绿色氧化剂,在现代社会中得到了广泛的应用。工业上H2O2主要由蒽醌法生产,该法包括加氢、氧化、萃取和循环四个步骤。蒽醌法虽易于批量生产,但仍存在诸多问题:一是反应条件极为苛刻,能耗极大;二是氢气和氧气混合气的使用存在安全隐患;三是大量排放有毒废弃物会导致环境污染。因此,开发高效的、安全的、环境友好的H2O2生产方法成为亟待解决的问题。以大自然中丰富的水和氧气为原料经光催化合成H2O2是一种高效、安全、绿色的生产方法,最有希望替代传统的蒽醌法。因此,开发高效的光催化剂用于生产H2O2具有重要意义。

  网格材料化学研究团队选择三苯胺、1,3,5-三苯基苯和2,4,6-三苯基三嗪三种具有不同给电子能力的单体,分别与环辛四噻吩基相结合,构建了三种供-受体(D-A)型COTh-PAFs,通过模型计算,PAF-363的HOMO和LUMO轨道之间明显分离。实验证明,PAF-363电荷分离和转移效率更好,并且展现出更低的激子结合能。在可见光照射下,PAF-363催化产生H2O2的速率为11733 µmol g-1 h-1(有牺牲剂)和3930 μ mol g-1 h-1(无牺牲剂),显著高于大多数报道的多孔有机半导体。理论计算表明,PAF-363的电荷转移位置和O2吸附位点都集中在COTh片段上,有利于通过氧还原反应(ORR)生成H2O2。此外,激发态电荷转移的模拟进一步表明,PAF-363可以通过一步两电子ORR更有效地生成H2O2。

  该成果通讯作者为化学学院陶鑫教授、谭华桥教授和朱广山教授,化学学院博士研究生曹临珠和长春理工大学王聪为共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目的支持。

  文章链接:https://doi.org/10.1002/anie.202402095