新加坡國(guó)立大學(xué)(NUS)的化學(xué)家開(kāi)發(fā)出了六價(jià)光催化共價(jià)有機(jī)框架(COF)，它可以模擬自然光合作用，生產(chǎn)一種重要的工業(yè)化學(xué)品過(guò)氧化氫(H2O2)。
傳統(tǒng)的過(guò)氧化氫生產(chǎn)方法是利用蒽醌作為催化劑，將空氣和氫氣轉(zhuǎn)化為過(guò)氧化氫，但此過(guò)程需要大量能源、昂貴的貴金屬催化劑、高壓氫氣和有害溶劑。
H2O2的人工光合作用類似于自然界的光合作用過(guò)程，利用陽(yáng)光作為能源，以豐富的水和空氣作為原料，為傳統(tǒng)的蒽醌工藝提供了一種可持續(xù)的、有前景的替代方案。
然而，這種人工系統(tǒng)面臨三個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：1)電荷載流子生成不足和快速電荷復(fù)合，從而降低了效率;2)可用的催化位點(diǎn)數(shù)量有限，導(dǎo)致生產(chǎn)率低下;3)缺乏向催化位點(diǎn)有效輸送電荷和反應(yīng)物，導(dǎo)致反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢。
由新加坡國(guó)立大學(xué)化學(xué)系江東林教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)想出一種新策略，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)π骨架和孔隙，開(kāi)發(fā)出六價(jià)光催化COF，以實(shí)現(xiàn)高效的光合作用。這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然合成》雜志上。
這些COF是由有機(jī)分子通過(guò)強(qiáng)共價(jià)鍵連接而成的多孔晶體材料。它們固有的靈活性使其成為構(gòu)建光催化劑的理想平臺(tái)。研究人員創(chuàng)造了一種新型供體-受體骨架光催化劑，在光照下，它們會(huì)轉(zhuǎn)化為具有密集催化位點(diǎn)的催化支架，用于氧還原和水氧化。
這些光催化劑具有空間隔離的供體和受體柱，用于空穴和電子分離，以防止電荷復(fù)合并實(shí)現(xiàn)快速電荷傳輸。此外，光催化COF的孔壁被設(shè)計(jì)成親水性，以促進(jìn)水和溶解氧通過(guò)一維通道通過(guò)毛細(xì)管效應(yīng)到達(dá)催化位點(diǎn)。
COF僅利用水、空氣和光即可作為光催化劑生產(chǎn)H2O2，并達(dá)到了令人印象深刻的指標(biāo)：生產(chǎn)率為7.2mmolg–1h–1，最佳表觀量子產(chǎn)率為18.0%，在浴反應(yīng)器中太陽(yáng)能到化學(xué)的轉(zhuǎn)換效率為0.91%。
當(dāng)它們被整合到流動(dòng)反應(yīng)器中后，它們?cè)诃h(huán)境條件下可持續(xù)生產(chǎn)超過(guò)15升的純H2O2溶液，并證明了兩周內(nèi)的運(yùn)行穩(wěn)定性。
江教授表示：“這項(xiàng)工作凝聚了我們?cè)贑OF領(lǐng)域近二十年的共同努力，最終開(kāi)發(fā)出新型光催化劑，有效地解決了兩個(gè)基本但艱巨的挑戰(zhàn)：同時(shí)高效地將電荷和物質(zhì)輸送到催化位點(diǎn)。本文提出的突破標(biāo)志著人工光合作用領(lǐng)域一個(gè)令人信服和范式轉(zhuǎn)變的進(jìn)步。”
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