【COF光催化剂】：高通量计算筛选新型二维共价有机框架用于高效光催化全水分解

首页 > 行业动态 > 【COF光催化剂】：高通量计算筛选新型二维共价有机框架用于高效光催化全水分解

摘要：
合肥微尺度物质科学国家研究中心李群祥&天津师范大学王加军等报道的本篇文章（J. Phys. Chem. Lett. 2024, 15, 18, 5016–5023）中提出了一种数据驱动的筛选程序，用于筛选作为全太阳能水分解光催化剂的共价有机框架（COFs）。通过构建不同核心和连接基组装的COF数据库，经过高通量计算筛选，预测出三种COFs作为全太阳能水分解的高效光催化剂。研究发现，这些单一COF光催化剂在没有材料工程的情况下，光生电子和空穴得到了良好的分离，并且在三种筛选出的COFs上，氢气和氧气的生成反应都可以在可见光照射下自发进行。这种通过数据驱动筛选程序筛选出的新型COF为推进高效光催化剂的发展提供了新的视角。

研究背景：
1. 光催化水分解作为一种清洁可持续的能源转换技术，受到广泛关注。然而，光催化反应效率低下，主要是因为光生电子-空穴复合速度快，以及寻找高效光催化剂的过程耗时。
2. 以往的研究探索了多种无机半导体光催化剂，如二氧化钛、石墨碳氮化物、共价有机框架（COFs）等，以及通过掺杂、金属原子负载和引入异质结等材料工程策略来有效分离光生电子-空穴对。
3. 作者提出了一种基于COF数据库的高通量计算筛选方法，通过不同的核心和连接基组装，筛选出三种COFs作为全太阳能水分解的高效光催化剂。这些COFs在没有材料工程的情况下，能够实现光生电子和空穴的有效分离，并在可见光照射下自发进行氢气和氧气的生成反应。

实验部分：
1) 构建2D COF数据库：作者通过不同的Core（核心单元）和Linker（连接单元）组装形成了一个包含416种不同2D COFs的数据库。
2) 高通量计算筛选：基于构建的COF数据库，作者提出了三个筛选标准，通过第一性原理计算进行高通量筛选，以识别适合整体水分解的光催化剂。
3) 筛选标准确定：第一个筛选标准是合适的静态带边位置，第二个筛选标准是初始中间体(*H和*OH)的吸附能，第三个筛选标准是特定位点上的HER（氢进化反应）和OER（氧进化反应）活性。
4) 结果验证：通过筛选，作者确定了三种COFs（BDT、TTP和TTM）作为整体水分解的光催化剂，并验证了它们在可见光照射下能够有效地分离光生电子和空穴。
5) 光催化活性分析：作者进一步分析了所选COFs的光催化活性，包括电子-空穴对的分离效率、光生载流子的动力学以及光催化水分解的反应机理。

分析测试：
1) 电子结构计算：使用密度泛函理论(DFT)计算了COFs的电子带结构、能带隙(Eg)、导带最小值(CBM)和价带最大值(VBM)。
2) 吸附能计算：计算了初始中间体(*H和*OH)在COFs上的吸附能，以评估光生载流子驱动HER和OER的潜力。
3) 反应自由能变化计算：计算了HER和OER过程中涉及的最大吉布斯自由能变化(ΔGLHER和ΔGLOER)，以评估整体水分解反应的自发性。
4) 光生载流子动力学分析：通过非绝热分子动力学(NAMD)模拟分析了光生电子-空穴对的重组过程。
5) 热稳定性分析：通过从头算分子动力学(AIMD)模拟评估了COFs的热稳定性。
6) 光学性质计算：计算了COFs的光学吸收光谱，以评估它们在可见光区域的光吸收能力。
7) 电子-空穴空间分布计算：使用KSSOLV软件包计算了COFs在第一激发态下的电子-空穴密度分布。

总结：
本研究通过构建COF数据库并提出三个筛选标准，成功筛选出三种新型COFs作为全太阳能水分解的高效光催化剂。这三种COFs在没有材料工程的情况下，能够实现光生电子和空穴的有效分离，并在可见光照射下自发进行氢气和氧气的生成反应。这项工作为设计新型高效光催化剂提供了新的视角，并为全水分解提供了潜在的候选材料。

展望：
1. 未来可以对筛选出的COFs进行实验合成，并验证其光催化水分解性能。
2. 在计算模型中加入更多实验条件的模拟，如温度、压力和溶剂效应，以更接近实际反应条件。

High-Throughput Computational Screening of Novel Two-Dimensional Covalent Organic Frameworks for Efficient Photocatalytic Overall Water Splitting
文章作者： Li Sheng, Weiyi Wang, Jiajun Wang*, Wenhua Zhang, Qunxiang Li*, and Jinlong Yang
DOI：10.1021/acs.jpclett.4c00818
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.4c00818

本文为科研用户原创分享上传用于学术宣传交流，具体内容请查阅上述论文，如有错误、侵权请联系修改、删除。未经允许第三方不得复制转载。