新闻网讯 9月9日，化学与化工学院谭必恩教授团队的最新研究成果“Unprecedented Photocatalytic Hydrogen Peroxide Production via Covalent Triazine Frameworks Constructed from Fused Building Blocks”在国际期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）刊发。
自2014年g-C3N4首次应用于光催化产过氧化氢（H2O2）以来，共价有机框架（COFs）因其可见光吸收范围广，能带结构易于调控，且H2O2分解速率低等优势，因而受到广泛关注。但COFs材料自身也存在激子解离能高、载流子传输速度慢等缺点，制约了其在光催化产H2O2领域的进一步发展。研究表明，设计具有共平面结构的COFs可以增强π共轭程度并促进电荷分离效率，进而提升光催化性能。然而，COFs的传统连接键，如C=N、C-N、C=C等，其线性连接方式仍然不可避免地带来构筑单元之间的扭转，导致材料的共平面性遭到一定程度的破坏。
共价三嗪框架（CTFs）是通过三嗪键连接的一类重要的COFs材料，与传统线性键连接的COFs相比，CTFs是通过平面三嗪环连接而成的。三嗪环已被证实能够与相邻芳香基团完全共面，因而有望实现CTFs在长程范围内的共平面性。基于此，谭必恩教授团队在前期工作的基础上，采用平面噻吩基稠环化合物（BTT-CHO和TT-CHO）为醛基单体，将其与对苯二甲脒通过醛脒缩聚成环反应构建了具有高度共平面结构的CTFs（CTF-BTT和CTF-TT）。并利用密度泛函理论（DFT）通过Gaussian 09W证实了CTFs在长程范围内的高度共平面性。
为证实CTFs的共平面性对光催化产H2O2性能的影响，他们采用非平面噻吩化合物（TTB-CHO和BT-CHO）为醛基单体，制备了非共平面CTFs（CTF-TTB和CTF-BT）来进行对比。光催化实验结果表明，共平面CTFs的光催化产H2O2性能是非共平面CTFs的两倍。差分电荷密度和Bader电荷分析结果表明，与非共平面CTFs相比，共平面CTFs可以显著加强结构内部的供体-受体（D-A）相互作用，进而提升电荷分离效率。
通过前线分子轨道分布和静电势（ESP）分析，证实了氧还原反应（ORR）主要发生在三嗪环上，而水氧化反应（WOR）发生在噻吩基团。CTFs由于其分离的氧化还原位点，可以同时通过ORR和WOR“双通道”实现高效光催化产H2O2。其中，CTF-BTT具有最高的光催化产H2O2性能，在纯水中产H2O2速率为8099 μmol h−1g−1，当添加10%苯甲醇为牺牲剂时，其H2O2生成速率更是达到了前所未有的74.9mmol g−1h−1，是目前报道的所有光催剂化产H2O2的最高值，比其他光催化剂的产H2O2速率提升了近一个数量级。
谭必恩教授为该工作通讯作者，博士生孙瑞雪为第一作者。该研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。
论文信息：
Unprecedented Photocatalytic Hydrogen Peroxide Production viaCovalent Triazine FrameworksConstructed fromFusedBuildingBlocks
Ruixue Sun, Xiaoju Yang, Xunliang Hu, Yantong Guo, Yaqin Zhang, Chang Shu, Xuan Yang, Hui Gao, Xiaoyan WangIrshad Hussain, Bien Tan*
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202416350
