Ein Forschungsteam hat eine neue Synthesestrategie für COFs vorgeschlagen, die auf einer neuen Topologie basiert, die Donor- (D) und Akzeptor-Einheiten (A) im 3D-Gitter ferntrennt, um die erwarteten metastabilen, photoinduzierten ladungsgetrennten Zustände zu erzeugen.
Die Forscher synthetisierten erstmals vier 3D-COFs mit Zyg-Topologie, indem sie ungleiche hexagonale Monomere mit einem quadratischen Baustein verbanden. Dieser Strukturtyp weist verschmolzene olympische ringförmige Poren auf, die zwei Arten hexagonaler Kanäle mit einem maximalen Durchmesser von 3,5 nm bilden, was eine geometrische Plattform zur Stabilisierung ladungsgetrennter Zustände im 3D-Gitter sowie Raum für einen effizienten Gasttransport bietet.
Anschließend erzielten die Forscher die photoinduzierten photochromen Radikalzustände in zwei COFs vom Zyg-Typ, die photoaktive Elektronendonoreinheiten (Triphenylamin und Phenothiazin) enthielten. Die katalytischen Ergebnisse in Kombination mit theoretischen Berechnungen zeigten, dass die isolierten Radikalzustände dieser COFs bei der Photosynthese von H2O2 aufgrund der verbesserten Lichtsammel- und Ladungsträgertransportfähigkeiten sowie der Verringerung der Aktivierungsenergie von Zwischenprodukten eine bessere Leistung zeigten.
Bemerkenswerterweise zeigte der Radikalzustand des Phenothiazin-basierten COF eine H2O2-Syntheserate von 3324 μmol g-1 h-1, eine signifikante Steigerung der photokatalytischen Aktivität um 400 % im Vergleich zum Ausgangszustand, was es zu einem der besten Katalysatoren für die photokatalytische Synthese von H2O2 macht.
Diese Arbeit soll als Inspiration für die Entwicklung hocheffizienter 3D-COF-Photokatalysatoren dienen, die auf funktionalen organischen Bausteinen basieren, die in einer topologischen Struktur angeordnet sind, welche eine lichtinduzierte Ladungstrennung ermöglichen kann.
Die Forschung ist veröffentlicht im Journal Nationale Wissenschaftsüberprüfung. Zum Team gehören die Gruppen von Ya-Qian Lan und Yong Yan an der South China Normal University (SCNU). Erstautorin des Artikels ist Frau Tian-Tian Ma, eine Doktorandin an der SCNU, und die korrespondierenden Autoren sind die Professoren Ya-Qian Lan und Yong Yan an der SCNU.
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Tian-Tian Ma et al, Photochrome Radikalzustände in 3D kovalenten organischen Gerüsten mit Zyg-Topologie für verbesserte Photokatalyse, Nationale Wissenschaftsüberprüfung (2024). DOI: 10.1093/nsr/nwae177