华中师范大学欧阳述昕团队ADSC：三氟甲基功能化的共价有机框架用于纯水中高效光合成过氧化氢

过氧化氢（H₂O₂）是一种绿色环保的化学试剂，可作为氧化剂和液体燃料，但目前工业上广泛采用的蒽醌法生产路线存在流程复杂、能耗高和污染大等问题。光催化技术利用太阳能驱动化学反应，被认为是理想的替代路径之一。共价有机框架材料（Covalent Organic Frameworks，COFs）因其高热稳定性、大比表面积、可调控的孔道结构和良好的可设计性，在光催化合成H₂O₂领域展现出巨大潜力。然而，该过程通常严重依赖牺牲剂，且光生载流子复合迅速，导致H₂O₂产出速率仍然较低。因此，研究的关键在于催化剂的设计，以有效促进光生载流子分离并精准调控反应路径，从而实现高效、稳定的H₂O₂合成。

华中师范大学欧阳述昕团队通过在COFs中引入强吸电子基团三氟甲基，显著提升了光生电子-空穴对的分离效率；同时调控能带结构，使其能够同步驱动氧气的双电子还原反应与水的双电子氧化反应。最终，所开发的三氟甲基功能化COFs催化剂在纯水体系中实现了3.83 mmol g-1 h-1的H2O2产出速率，较对比样品提升16倍。该工作表明通过分子水平的结构调控优化COFs光电性能与催化路径的有效策略，为开发不依赖牺牲剂、高效稳定的光催化H2O2合成路线提供了新思路，对推动绿色H2O2合成技术发展具有借鉴意义。

图文导读：

图1 COF的合成示意图

图2. XRD图谱：实验数据与模拟谱图对比(a) TP-TFMB COF与(b) TP-DADB COF；(c) TP-TFMB COF拟采用的AB堆叠模型；(d) TP-DADB COF拟采用的AA堆叠模型；(e) TP-TFMB COF与 (f) TP-DADB COF的氮气吸附-脱附等温线

图3. (a) 傅里叶变换红外光谱；(b) XPS全谱扫描；(c) C 1s XPS精细谱；(d-g) TP-TFMB COF的扫描电子显微镜图像及EDS元素分布图

图4. (a) TP-TFMB与TP-DADB COF的光催化H₂O₂产出速率对比；(b) TP-TFMB COF在不同波长光照下生成H₂O₂的表观量子效率；(c) TP-TFMB COF在不同条件下生成H₂O₂的对照实验；(d) TP-TFMB COF产H₂O₂的稳定性测试

图5. (a) TP-TFMB与TP-DADB COF的紫外-可见吸收光谱；(b) TP-TFMB与TP-DADB COF的能带结构示意图；(c) 光致发光光谱；(d) 时间分辨光致发光光谱；(e) 瞬态光电流响应曲线；(f) 电化学阻抗谱奈奎斯特图

图6. (a) 不同光照时间下TP-TFMB COF的DMPO-•O₂⁻加合物ESR谱图；(b) TP-TFMB COF在可见光照射（λ > 400 nm）下采集的原位DRIFTS谱图；(c) 不同捕获剂存在下，TP-TFMB COF在氧气氛围中的H₂O₂产出速率；(d) 不同捕获剂存在下，TP-TFMB COF在氩气氛围中的H₂O₂产出速率

该项目研究获得国家自然科学基金（22272061）、中央高校基本科研业务费基金（CCNU24JCPT019）、武汉光化学技术研究院创新培育项目（GHY2023KF012）等项目的资助，谨此感谢！

论文信息

Trifluoromethyl-functionalized covalent organic frameworks for efficient photosynthesis of hydrogen peroxide in pure water

Zihan Zhang, Jinyu Yan, Zheng Zhang, Hong Yuan, Shuxin Ouyang*

Advanced Synthesis & Catalysis

DOI:10.1002/adsc.70165

原文链接

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsc.70165