【CTF-BP光催化】结构锁定的高结晶共价三嗪框架促进显著的过氧化氢光合作用

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摘要：
由西湖大学徐宇熙老师等报道的研究中(J. Am. Chem. Soc. 2024)，开发了一种新的策略，通过在高度结晶的共价三嗪框架（CTFs）中锁定共平面性，显著提升了从氧气和水中直接光合成过氧化氢（H2O2）的效率。这些超薄的二维CTF纳米片展现出优异的光催化H2O2进化性能，实现了高达0.91%的太阳能到化学能的转换效率和在420纳米处16.8%的表观量子效率，超过了所有先前报道的CTFs和大多数无金属光催化剂。

研究背景：
1）行业背景：随着全球能源危机和环境污染的加剧，寻找可替代化石燃料的绿色可持续能源变得迫切。过氧化氢作为一种无碳燃料，具有与压缩氢相当的能量密度，并且在储存和运输上更为方便。
2）现有方案：H2O2的工业生产几乎完全依赖于能源密集型的蒽醌过程，这一过程需要使用有机溶剂和贵金属催化剂，并产生危险废物。
3）本文创新：本文作者提出了一种新的策略，通过在高结晶CTFs中锁定共平面性，以加速激子分离和促进电荷载流子的分离和迁移，从而提升光催化H2O2的效率。

实验内容：
1）选择了两种容易获得的芳香族二腈单体BP-CN和FL-CN，进行了环三聚反应，合成了高结晶CTF-BP和CTF-FL。
2）通过粉末X射线衍射（PXRD）和理论模拟确定了所得CTFs的晶体结构，并通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和固体13C NMR光谱证实了三嗪环的形成。
3）通过氮气吸附-脱附等温线测量了CTFs的孔隙性质，BET比表面积分别为686 m² g–1和818 m² g–1，孔径主要分布在1.88和1.80 nm。
4）通过光催化活性测试，CTF-FL展现出了优异的光催化H2O2生产性能，生产率达到了5007 μmol g–1 h–1，表观量子效率达到了16.8%，太阳能到化学能的转换效率达到了0.91%。

测试分析：
1）通过PXRD和理论模拟，确定了CTFs的晶体结构，CTF-BP和CTF-FL的(100)反射的半峰宽值分别为0.28°和0.25°，表明了高度的结晶性。
2）FT-IR光谱显示了三嗪环的特征信号，而13C CP-MAS NMR光谱显示了三嗪环中的碳信号，证实了三嗪框架的形成。
3）BET比表面积测试显示CTF-BP和CTF-FL的比表面积分别为686 m² g–1和818 m² g–1，孔径分布分别为1.88和1.80 nm。
4）光催化活性测试表明，CTF-FL的H2O2生产率达到了5007 μmol g–1 h–1，表观量子效率为16.8%，太阳能到化学能的转换效率为0.91%。

总结：
1) 本文通过设计和合成具有高度结晶性的层状CTFs，开发了一种高性能的无金属光催化剂。
2) CTF-FL展现出了优异的光催化H2O2生产性能，其生产率达到了5007 μmol g–1 h–1，表观量子效率为16.8%，太阳能到化学能的转换效率为0.91%。这些性能均超过了以往报道的CTFs和其他无金属光催化剂。
3) CTF-FL的空间锁定结构不仅促进了高活性的2e– ORR过程，还改变了WOR过程从四电子途径到两电子途径，实现了100%的原子利用效率，为绿色高效的H2O2生产提供了新的思路。
4) 可以进一步优化CTFs的结构，以提高其在实际应用中的稳定性和光催化效率。此外，还可以探索CTFs在其他有害化学物质检测中的应用，以及它们在环境监测和工业过程中的潜在用途。

Structurally Locked High-Crystalline Covalent Triazine Frameworks Enable Remarkable Overall Photosynthesis of Hydrogen Peroxide
文章作者：Ling Zhang, Congxu Wang, Qike Jiang, Pengbo Lyu, Yuxi Xu*
DOI: 10.1021/jacs.4c12339
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c12339

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