催化学报 ›› 2024, Vol. 65: 103-112.DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60113-0

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通过偶极极化调制乙烯键连接的共价有机框架以实现高效光催化析氢

王明a,1, 李亚玲a,1, 严登鑫b, 胡慧a, 宋玉洁a, 苏晓芳a, 孙佳敏a,*(), 肖松涛c,*(), 高艳安a,*()   

  1. a海南大学热带岛屿资源先进材料教育部重点实验室, 海南海口570228, 中国
    b根特大学化学技术实验室, 根特, 比利时
    c中国原子能科学研究院, 北京102413, 中国
  • 收稿日期:2024-06-26 接受日期:2024-07-30 出版日期:2024-10-18 发布日期:2024-10-15
  • 通讯作者: *电子信箱: jiamin.suny@gmail.com (孙佳敏), xiao200112@163.com (肖松涛), ygao@hainanu.edu.cn (高艳安).
  • 作者简介:1共同第一作者.
  • 基金资助:
    海南省重点研发计划(ZDYF2024GXJS005);海南省重大科技计划(ZDKJ202016);国家自然科学基金(21965011);国家自然科学基金(22105053)

Dipole polarization modulating of vinylene-linked covalent organic frameworks for efficient photocatalytic hydrogen evolution

Ming Wanga,1, Yaling Lia,1, Dengxin Yanb, Hui Hua, Yujie Songa, Xiaofang Sua, Jiamin Suna,*(), Songtao Xiaoc,*(), Yanan Gaoa,*()   

  1. aKey Laboratory of Ministry of Education for Advanced Materials in Tropical Island Resources, Hainan University, Haikou 570228, Hainan, China
    bLaboratory for Chemical Technology, Ghent University, Technologiepark 125, 9052 Gent, Belgium
    cChina Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China
  • Received:2024-06-26 Accepted:2024-07-30 Online:2024-10-18 Published:2024-10-15
  • Contact: *E-mail: jiamin.suny@gmail.com (J. Sun), xiao200112@163.com (S. Xiao), ygao@hainanu.edu.cn (Y. Gao).
  • About author:1 Contributed equally to this work.
  • Supported by:
    Key Research and Development Project of Hainan Province(ZDYF2024GXJS005);Major Science and Technology Plan of Hainan Province(ZDKJ202016);National Natural Science Foundation of China(21965011);National Natural Science Foundation of China(22105053)

摘要:

利用太阳辐照直接从水中制备氢气被认为是一种环保的、可持续的氢气生产方式. 共价有机框架(COFs)因在光催化析氢反应中表现出良好的性能, 而成为研究热点. 在众多COFs类型中, 亚胺键连接的COFs因其独特的结构特性而得到了广泛关注. 然而, 亚胺键的存在往往伴随着稳定性不足和共轭性较弱的问题, 限制了其光催化性能. 相比之下, 乙烯键连接的COFs由于具有稳固的连接键, 显示出更高的稳定性. 此外, 局域偶极极化效应能够通过内置电场作用, 有效提升电子-空穴对的分离效率, 是优化光催化性能的重要途径之一. 然而, 目前关于乙烯键连接的COFs在局域偶极极化光催化方面的研究较少.

本文主要考察了光催化析氢反应中乙烯键连接的COFs的设计、合成及其性能研究. 首先, 以具有光活性的2,4,6-三甲基-1,3,5-三嗪(TMT)为构筑基元, 分别与4,4′-(苯并呋咱-4,7-二基)二苯甲醛(BO)、4,4′-(苯并噻二唑-4,7-二基)二苯甲醛(BS)和4,4'-(苯并硒二唑-4,7-二基)二苯甲醛(BSe)进行羟醛缩合反应, 成功合成了三种乙烯键连接的COFs, 即TMT-BO-COF, TMT-BS-COF和TMT-BSe-COF. 粉末X射线衍射、高分辨透射电镜和N2吸脱附结果表明, 三种COFs均具有高结晶性和比表面积. 傅里叶红外光谱、固体核磁和X射线光电子能谱进一步证实了三种COFs材料的成功合成. 在性能测试中发现, 这些COFs在可见光区域具有强吸收能力, 且其光学带隙与导带位置适宜, 预示着可能具有较好的光催化析氢活性. 进一步研究表明, 局域偶极矩对光催化析氢效率有重要影响. 通过局域偶极矩计算和光催化析氢实验研究发现, TMT-BO-COF因其结构中高电负性氧原子的存在, 展现出最大的局域偶极矩(3.8992 D), 有效促进了电子-空穴对分离, 实现了高效的光催化析氢. 其产氢速率高达23.7 mmol g-1 h-1, 远高于TMT-BS-COF (9.45 mmol g-1 h-1)和TMT-BSe-COF (0.96 mmol g-1 h-1). 为了深入探究其机制, 进行了电子顺磁共振、光电流响应和电化学阻抗等测试. 结果表明, TMT-BO-COF不仅具有更高的电子-空穴分离效率, 还展现出更灵敏的光响应能力和更快速的电子转移能力. 此外, 变温荧光测试和开尔文探针力显微测试揭示了TMT-BO-COF具有最低的激子结合能(21.6 meV)和最大的表面电势(60.2 mV), 进一步证实了其优越的光催化性能. 最后, 理论计算结果表明, TMT-BO-COF具有最大扩散程度的最低未占据分子轨道和最大的电子析出系数(8.19), 从理论层面阐明了局域偶极矩增强对光催化析氢效率的积极影响. 同时, 基于对TMT-BO-COF光催化活性位点的密度泛函理论计算, 提出了一种新颖的光催化析氢机理, 该机制涉及发生在基于乙烯键COFs中三嗪环的氮原子上质子耦合电子转移过程.

综上, 本文设计合成了三种高结晶度和比表面积的乙烯键连接COFs, 通过原子电负性的精细调控, 阐明了COFs中局域偶极矩的差异如何影响光催化析氢的效率. 本研究对于开发新型光催化COFs以及优化其电子-空穴分离效率具有参考意义.

关键词: 共价有机框架, 乙烯键连接, 电负性, 偶极极化, 光催化析氢

Abstract:

Photocatalytic hydrogen (H2) evolution using covalent organic frameworks (COFs) is an attractive and promising avenue for exploration, but one of its big challenges is low photo-induced charge separation. In this study, we present a straightforward and facile dipole polarization engineering strategy to enhance charge separation efficiency, achieved through atomic modulation (O, S, and Se) of the COF monomer. Our findings demonstrate that incorporating atoms with varying electronegativities into the COF matrix significantly influences the local dipole moment, thereby affecting charge separation efficiency and photostability, which in turn affects the rates of photocatalytic H2 evolution. As a result, the newly developed TMT-BO-COF, which contains highly electronegative O atoms, exhibits the lowest exciton binding energy, the highest efficiency in charge separation and transportation, and the longest lifetime of the active charges. This leads to an impressive average H2 production rate of 23.7 mmol g-1 h-1, which is 2.5 and 24.5 times higher than that of TMT-BS-COF (containing S atoms) and TMT-BSe-COF (containing Se atoms), respectively. A novel photocatalytic hydrogen evolution mechanism based on proton-coupled electron transfer on N in the structure of triazine rings in vinylene-linked COFs is proposed by theoretical calculations. Our findings provide new insights into the design of highly photoactive organic framework materials for H2 evolution and beyond.

Key words: Covalent organic framework, Vinylene linkage, Electronegativity, Dipole polarization, Photocatalytic hydrogen evolution