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《文章投稿》全共軛苯并雙噁唑橋聯(lián)共價(jià)有機(jī)骨架促進(jìn)光催化產(chǎn)氫

更新時(shí)間:2025-07-04      點(diǎn)擊次數(shù):1009

1. 文章信息標(biāo)題:  Fully Conjugated Benzobisoxazole-Bridged Covalent Organic Frameworks for Boosting Photocatalytic Hydrogen Evolution

中文標(biāo)題:  全共軛苯并雙噁唑橋聯(lián)共價(jià)有機(jī)骨架促進(jìn)光催化產(chǎn)氫     

頁(yè)碼:  e202501869  

 DOI:  doi.org/10.1002/anie.202501869

2. 文章鏈接  https:// doi.org/10.1002/anie.202501869

3. 期刊信息期刊名:Angewandte Chemie International Edition ISSN:  1433-7851   2025年影響因子: 16.1 分區(qū)信息: 中科院一區(qū)TopJCR分區(qū)(Q1) 涉及研究方向: 化學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域   

4. 作者信息:第一作者是  吉林大學(xué)博士馬思。通訊作者為  劉曉明教授,鄧天琪教授和王睿教授

5. 光催化活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)型號(hào):北京中教金源(CEL-SPH2N,Beijing China Education Au-Light Co., Ltd.);氙燈光源型號(hào):北京中教金源(CEL-HXF300,Beijing China Education Au-Light Co., Ltd.)。

  氫能作為零碳能源載體,是解決化石能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵。光催化分解水制氫技術(shù)因其直接利用太陽(yáng)能和水的可持續(xù)性備受關(guān)注。然而,傳統(tǒng)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體(如TiO2)存在可見(jiàn)光吸收弱、依賴貴金屬助催化劑等瓶頸。近年來(lái),共價(jià)有機(jī)框架(COFs)因其可設(shè)計(jì)的能帶結(jié)構(gòu)、高比表面積和穩(wěn)定多孔特性,成為光催化領(lǐng)域的明星材料。但多數(shù)COFs基于可逆亞胺鍵連接,易水解失活,且激子結(jié)合能高導(dǎo)致電荷分離效率低。如何構(gòu)建兼具高結(jié)晶度、全共軛結(jié)構(gòu)及高效光催化活性的COFs仍是巨大挑戰(zhàn)。

1、 本文亮點(diǎn):

(1)分子結(jié)構(gòu)創(chuàng)新:選用苯并雙惡唑(BBX-2CN)為橋接單元,其強(qiáng)吸電子特性與平面共軛結(jié)構(gòu)顯著提升材料光吸收與電荷傳輸能力;

(2)全共軛連接:通過(guò)Knoevenagel縮聚形成氰基乙烯鍵,增強(qiáng)框架穩(wěn)定性與面內(nèi)π電子離域;

(3)供體-受體協(xié)同:COF-JLU45以芘單元為電子供體,苯并雙惡唑與氰基為受體,形成強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng),促進(jìn)激子解離。

  研究團(tuán)隊(duì)采用梯度升溫策略,通過(guò)Knoevenagel縮聚反應(yīng),以BBX-2CN為連接單元,分別與三嗪(TFPT)和芘(TFPPy)單體縮合,成功制備了兩種新型COFs。其中,COF-JLU44呈現(xiàn)六方晶系結(jié)構(gòu)(空間群P6/M),而COF-JLU45為四方晶系(C2/m空間群)。通過(guò)粉末X射線衍射(PXRD)分析,COF-JLU45的(110)晶面衍射峰半高寬僅為0.34°,顯著優(yōu)于已報(bào)道的sp2碳連接COFs,表明其高度有序的結(jié)晶性。高分辨透射電鏡(HR-TEM)進(jìn)一步顯示COF-JLU45具有清晰的0.34 nm晶格條紋,對(duì)應(yīng)(001)晶面,證實(shí)了層間π-π堆疊的有序性。

  氮?dú)馕?脫附測(cè)試表明,COF-JLU45的BET比表面積達(dá)860 m2 g?1,高于同類材料(如V-COF-2的627 m2 g?1),且孔徑分布集中于1.9 nm,與理論模型高度吻合。固體核磁(13C CP-MAS)與XPS譜圖證實(shí)了氰基乙烯鍵的形成,在~159.5 ppm處觀察到新生成的乙烯碳信號(hào)。紅外光譜表明醛基特征峰(~2712.8 cm?1)顯著減弱,表明單體成功聚合。穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果證實(shí)了COF-JLU45具有優(yōu)異的酸堿和光解穩(wěn)定性。

  紫外-可見(jiàn)漫反射光譜(UV-Vis DRS)顯示,COF-JLU45的光吸收邊延伸至680 nm,覆蓋可見(jiàn)光至近紅外區(qū)域,其光學(xué)帶隙通過(guò)Tauc曲線計(jì)算為1.93 eV,顯著低于COF-JLU44的2.28 eV。這種寬光譜響應(yīng)源于芘單元的強(qiáng)供電子能力與苯并雙惡唑的吸電子效應(yīng)協(xié)同作用,形成供體-受體(D-A)結(jié)構(gòu),拓寬了π共軛體系。通過(guò)Mott-Schottky測(cè)試計(jì)算導(dǎo)帶電位(CBM)發(fā)現(xiàn),COF-JLU45的CBM為-1.17 V vs. NHE,遠(yuǎn)低于質(zhì)子還原的平衡電位(-0.41 V vs. NHE),表明其具備強(qiáng)質(zhì)子還原能力。

  在1.0 wt% Pt助催化劑與0.1 M抗壞血酸(AA)條件下,COF-JLU45的產(chǎn)氫速率達(dá)272.5 mmol g?1 h?1),較傳統(tǒng)g-C3N4(0.14 mmol g?1 h?1)提升近1500倍,且優(yōu)于多數(shù)已報(bào)道的COFs(如COF-954的137.2 mmol g?1 h?1)。值得注意的是,即使在無(wú)鉑條件下,其HER仍可達(dá)1.65 mmol g?1 h?1,展現(xiàn)了作為獨(dú)立催化劑的潛力。表觀量子效率(AQY)測(cè)試顯示,COF-JLU45在600 nm長(zhǎng)波長(zhǎng)下的AQY高達(dá)12.9%,為目前共價(jià)有機(jī)框架基光催化劑的最高值。這種長(zhǎng)波長(zhǎng)響應(yīng)能力得益于其窄帶隙與D-A結(jié)構(gòu)對(duì)低能光子的高效捕獲。循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試表明,COF-JLU45在連續(xù)運(yùn)行12次(累計(jì)24小時(shí))后活性無(wú)衰減,且PXRD與FT-IR譜圖顯示其晶體結(jié)構(gòu)與化學(xué)鍵保持完整,證明了其耐久性。

  通過(guò)時(shí)間分辨熒光光譜(TRPL)分析,COF-JLU45的激子平均壽命達(dá)2.26 ns,遠(yuǎn)超COF-JLU44的1.66 ns,表明其電荷復(fù)合速率更低。電化學(xué)阻抗譜(EIS)顯示,COF-JLU45的電荷傳輸阻力小于COF-JLU44,印證了其更高效的載流子遷移能力。此外,瞬態(tài)光電流測(cè)試顯示,COF-JLU45的陰極光電流密度為6.7 μA cm-2,是COF-JLU44的2.68倍,直觀反映了其優(yōu)異的電荷分離動(dòng)力學(xué)。此外,其激子結(jié)合能低至24.1 meV,接近環(huán)境熱能(26 meV),使得激子可自發(fā)解離為自由電荷,極大提升了電荷利用率

 

  瞬態(tài)吸收光譜(TA)分析為揭示COF-JLU44與COF-JLU45的電荷分離機(jī)制提供了關(guān)鍵證據(jù)(圖6)。在400 nm激光激發(fā)下,COF-JLU44的TA譜圖顯示兩個(gè)漂白峰(GSB:~500 nm,SE:~610 nm)及寬范圍的光誘導(dǎo)吸收(PIA:~930 nm),對(duì)應(yīng)激子的生成與衰減過(guò)程。GSB和SE信號(hào)在5000 ps內(nèi)迅速衰減至基線(圖6a),表明其激子壽命較短(平均1.66 ns),且未檢測(cè)到電荷分離態(tài)(i-CS)的生成。這種快速?gòu)?fù)合行為源于COF-JLU44的三嗪-苯并雙惡唑結(jié)構(gòu)中電子-空穴重疊積分較高(S=0.74,圖7a),導(dǎo)致激子結(jié)合能(Eb=32.7 meV)較大,電荷難以有效解離。

  相比之下,COF-JLU45的TA動(dòng)力學(xué)展現(xiàn)出顯著差異(圖6b-d)。激發(fā)初期(0.5 ps),其GSB信號(hào)位于~670 nm,伴隨ESA信號(hào)在1350 nm處出現(xiàn),表明激子的瞬時(shí)生成。隨著時(shí)間延遲,ESA信號(hào)逐漸紅移至1150 nm,并在510 nm處形成新的吸收峰(圖6d),這一動(dòng)態(tài)變化揭示了電荷分離態(tài)(i-CS)的逐步形成。值得注意的是,約15%的GSB信號(hào)在5000 ps后仍持續(xù)存在(圖6c),表明COF-JLU45中存在長(zhǎng)壽命的自由電荷載流子,其生成壽命經(jīng)多指數(shù)擬合為105 ps(圖6d)。這種高效的電荷分離歸因于其供體-受體結(jié)構(gòu):芘單元作為電子供體,苯并雙惡唑-氰基鏈段作為受體,形成跨骨架的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)(電子-空穴分離距離達(dá)9.57 ?,S=0.34),顯著降低了激子結(jié)合能(Eb=24.1 meV)。理論計(jì)算進(jìn)一步表明(圖7b),COF-JLU45的面內(nèi)電子與空穴有效質(zhì)量分別為0.38 和0.35 ,載流子遷移阻力極低,使得分離后的電荷可沿共軛骨架快速傳輸至反應(yīng)位點(diǎn)。

總結(jié)與展望:

  本研究通過(guò)精準(zhǔn)分子設(shè)計(jì),創(chuàng)制了兼具高結(jié)晶度、寬光譜響應(yīng)與高效電荷分離的苯并雙惡唑橋接COFs,刷新了共價(jià)有機(jī)框架基光催化劑的產(chǎn)氫效率紀(jì)錄。該成果不僅為太陽(yáng)能-化學(xué)能轉(zhuǎn)換提供了新材料平臺(tái),也為功能化框架材料的理性設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。



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