Ein kovalentes organisches Gerüst für die Photosynthese von Wasserstoffperoxid mit hoher Quanteneffizienz

H2O2 ist nicht nur ein grünes Oxidationsmittel, das in der Umweltsanierung, in der industriellen Synthese und im medizinischen Gesundheitswesen usw. weit verbreitet ist, sondern auch ein aufstrebender Energieträger mit einer hohen Energiedichte, die mit komprimiertem H2 vergleichbar ist.

Gegenwärtig ist die Anthrachinon-Oxidation noch immer der Hauptweg für die großtechnische H2O2-Produktion, die einen hohen Energieaufwand erfordert und viele schädliche Schadstoffe erzeugt. Als Alternative gilt die Photosynthese von H2O2 aus Wasser und O2 als grüne, sichere und energiesparende Strategie für eine nachhaltige H2O2-Produktion und hat in den letzten Jahren wachsendes Interesse geweckt.

Allerdings ist die photokatalytische Effizienz noch weit von den praktischen Anforderungen entfernt. Die Erforschung effizienter Halbleiter-Photokatalysatoren mit überlegenen optoelektronischen Eigenschaften ist der Schlüssel zum Erreichen der gewünschten photokatalytischen Leistung.

Unter vielen Kandidaten war Kohlenstoffnitrid (C3N4) der Hauptforschungsschwerpunkt für die photokatalytische H2O2-Synthese. Insbesondere die Heptazin-Einheiten in C3N4 spielen eine entscheidende Rolle als aktive Zentren, um die selektive Sauerstoffreduktion zu erleichtern.

Darüber hinaus könnte die metallfreie Natur von C3N4 auch das erzeugte H2O2 vor schneller Zersetzung schützen, die durch Übergangsmetallstellen wie in anorganischen Halbleitern verursacht wird. C3N4-Photokatalysatoren leiden jedoch normalerweise unter einer schmalen Lichtabsorption und einer schnellen Ladungsrekombination aufgrund unzureichender Konjugation, was zu einer unbefriedigenden photokatalytischen Leistung führt.

Auf der Grundlage des Verständnisses der inhärenten Vorzüge und Fallstricke von C3N4 schlugen Prof. Yanguang Li von der Soochow University, China, und seine Mitarbeiter eine neue Designstrategie für Photokatalysatoren vor, bei der die aktiven Heptazineinheiten und funktionellen Linker in kristalline konjugierte Polymergerüste integriert werden.

Die hochkonjugierte Molekülstruktur könnte die Elektronendelokalisierung durch die organischen Skelette verbessern und die Lichtabsorption erhöhen; außerdem würde die geordnete Zwischenschicht π-π Hochgeschwindigkeitskanäle für den Ladungstransfer bereitstellen, wodurch ihre Rekombination verringert würde.

Im Vergleich zu reinem C3N4 weist die resultierende Probe (bezeichnet als COF-TpHt) eine breitere Lichtabsorption bis zu 800 nm und eine stark verbesserte Ladungstrennungseffizienz auf, wie durch eine Reihe von spektroskopischen Messungen gezeigt wurde. Unter der Bestrahlung mit sichtbarem Licht zeigt COF-TpHt eine hohe H2O2-Produktionsrate von 11986 μmol h–1 g–1 und eine scheinbare Quanteneffizienz (AQE) von bis zu 38 % bei 420 nm, die beide anderen berichteten organischen überlegen sind und anorganische Gegenstücke.

Beeindruckenderweise zeigt COF-TpHt eine hervorragende Stabilität, die eine nahezu lineare H2O2-Akkumulation während einer Langzeitbestrahlung ermöglicht, was zu einer H2O2-Konzentration von über 59 mM nach 30 h führt. Diese Forschung wurde in veröffentlicht Chinesisches Journal für Katalyse.