福大ACS Catalysis：光激发共价有机骨架上水合作用引发的水氧化途径

通过人工光合作用将太阳能转化为可储存的化学品是解决能源和环境问题的一种有吸引力的方法。水的氧化对于自然和人工光合作用都是至关重要的，由于其缓慢的动力学，它决定了整体的光催化效率。许多研究致力于金属基水氧化催化剂的设计以模拟天然光合作用中的CaMn₄O₅复合物。已经表明，水在金属活性位点上的吸附和活化通常是水氧化所必需的。然而，有机半导体的化学组成明显不同于无机材料，因此表明有机半导体上有不同的水氧化机制。尽管有报道称其中一些在水氧化中具有活性，并表明水氧化是由催化剂和水分子之间的相互作用造成的，但有机半导体上的水活化和转化途径仍未完全了解，仍然是一个有争议的话题。探索光合作用的催化机制和确定进一步水氧化的关键因素对光合作用具有重要意义，但具有很高的挑战性。基于此，福州大学于岩和李留义（共同通讯）等人提出了共价有机骨架（COFs）光催化水合作用引发的水氧化途径。

在可见光照射下，评估了四种COF，包括DETH-COF, BBT-COF, BHT-COF和BOT-COF在纯水中的光催化性能。四种COFs均能持续产生H₂O₂，测定了平均H₂O₂生成速率分别为1665、923、833和390 μmol g^-1 h^-1。H₂O₂生成速率的变化趋势与四种COFs的光电流测试结果相匹配。在空气气氛中可以有效地产生H₂O₂，与纯O₂相比仅略有降低。

当在相同的反应条件下，采用连接的模型化合物时，H₂O₂的产率很低，这主要是因为它缺乏π扩展的共轭结构。在450 nm处，DETH-COF合成H₂O₂的表观量子产率为0.063%。在可见光和室温空气环境下，在没有空穴牺牲剂的光催化剂中，DETH-COF上的H₂O₂生成速率是最高的，与纯O₂下最好的光催化剂的H₂O₂生成速率相当。空气中24小时内连续产生H₂O₂表明DETH-COF的高稳定性和长期光催化应用的潜力。

此外，还利用原位产生的H₂O₂评估了光催化杀菌（大肠杆菌）用于水处理的效果。四种COFs的失活性能与它们的光催化H₂O₂产率趋势一致。DETH-COF显示出良好的可见光杀菌活性和稳定性，显示出在水处理方面的巨大潜力。本文证明了一个有效的水合作用引发的 COFs 水氧化途径。COFs 中腙键的水合作用引发了水的氧化。随后的去羟基化和释放的羟基自由基偶联生成H₂O₂产物。氧化脱氢和去羟基化过程选择性地生成H₂O₂产物。

此外，还通过增强COFs的亲水性来提高水氧化效率。虽然本研究的重点是腙键的COFs，但这里提到的水合作用引发的水氧化途径也可以应用于具有适当能带结构的其他可逆键连接的半导体，如有机聚合物和有机-无机杂化。这项对COFs上水氧化途径的研究不仅突出了有机半导体在人工光合作用中的潜力，而且为旨在有效利用太阳能的光催化剂设计提供了一种新的方法。

The Hydration-Initiated Pathway of Water Oxidation over Photoexcited Covalent Organic Frameworks, ACS Catalysis, 2022, DOI：10.1021/acscatal.2c03878. https://doi.org/10.1021/acscatal.2c03878.

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