Angew. Chem.：部分氟化高结晶的三嗪基COF用于光合成过氧化氢

过氧化氢（H₂O₂，俗称双氧水）是一种重要的工业原料和化工产品，在漂白、消毒、半导体制造和化学药品合成等领域应用广泛。利用光催化技术，通过2e^-氧气还原反应过程制备H₂O₂具有安全便携、绿色节能的特点，近年来引起研究者们的广泛关注。该技术的核心是开发高效、稳定、低成本的光催化剂。

二维三嗪基COF材料由于氮含量高、可见光响应、高度可控的结构设计等特点，在光催化领域展示出巨大的应用前景。然而，大部分通过氰基缩聚得到的共价三嗪框架的结晶性差，这不利于光生载流子分离效率。通过席夫碱反应构筑高结晶COF是目前广泛采用的方法。但是，这类COF是由可逆共价键连接，化学稳定性较差，在光催化反应过程中层状结构容易破坏，导致循环稳定性差，实际应用受到限制。此外，严重的光生载流子复合以及缺乏有效活性位点，使得该类COF催化剂的光活性较低。

近日，北京理工大学的韩庆教授和复旦大学的郑耿锋教授合作，提出了一种简单、有效的部分氟化的策略，构筑了高结晶性的亚胺键连接的三嗪基COF，显著增强其化学稳定性，实现高的电子传输效率，进一步研究了其在光催化氧气还原合成H₂O₂中的应用。

研究表明，部分氟化的COF（TF₅₀-COF）具有AA堆积结构，其层间π-π相互作用力最强，结晶性最高，有效促进载流子迁移。其比表面积高达1903 m² g^–1，在1 M HCl和1 M NaOH等环境下都能保持结构完整。进一步研究发现，光催化产H₂O₂的活性与催化剂的结晶性正相关，TF₅₀-COF表现出高的光催化活性（在模拟太阳光下的太阳能到化学能转换效率达0.17%），而无氟的亚胺键连接的三嗪基COF（H-COF）的层状结构发生破坏，光催化产H₂O₂的活性降低，充分展示部分氟化的COF的稳定性优势。

机理实验和DFT计算表明，氟化COF上的H₂O₂生产主要通过以超氧阴离子为中间体的两步氧还原反应进行，并且以四氟苯上的碳原子为活性位点吸附和激活O₂。同时，氟化有效调节了相邻碳催化位点的电子结构，从而优化了反应中间体（*OOH）在催化位点的吸附性质。此外，TF₅₀-COF在光催化产H₂O₂中展示出优异的循环稳定性，这对于H₂O₂实际应用具有重要意义。这种部分氟化的策略为设计高效、稳定的可逆共价键连接的COF光催化剂提供了一种有效的工具箱。

这一成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.杂志上，第一作者为北京理工大学硕士研究生王浩桢，通讯作者为北京理工大学韩庆教授。

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A Crystalline Partially Fluorinated Triazine Covalent Organic Framework for Efficient Photosynthesis of Hydrogen Peroxide

Haozhen Wang, Chao Yang, Fangshuai Chen, Gengfeng Zheng, Qing Han*

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202202328

导师介绍

郑耿锋

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