Tuning excited state electronic structure and charge transport in covalent organic frameworks for enhanced photocatalytic performance

光催化 激发态 共价键 材料科学 共价有机骨架 纳米技术 化学 有机化学 物理 催化作用 核物理学
作者
Zhongshan Chen,Jingyi Wang,Mengjie Hao,Yinghui Xie,Xiaolu Liu,Hui Yang,Geoffrey I. N. Waterhouse,Xiangke Wang,Shengqian Ma
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1) 被引量:214
标识
DOI:10.1038/s41467-023-36710-x
摘要

Covalent organic frameworks (COFs) represent an emerging class of organic photocatalysts. However, their complicated structures lead to indeterminacy about photocatalytic active sites and reaction mechanisms. Herein, we use reticular chemistry to construct a family of isoreticular crystalline hydrazide-based COF photocatalysts, with the optoelectronic properties and local pore characteristics of the COFs modulated using different linkers. The excited state electronic distribution and transport pathways in the COFs are probed using a host of experimental methods and theoretical calculations at a molecular level. One of our developed COFs (denoted as COF-4) exhibits a remarkable excited state electron utilization efficiency and charge transfer properties, achieving a record-high photocatalytic uranium extraction performance of ~6.84 mg/g/day in natural seawater among all techniques reported so far. This study brings a new understanding about the operation of COF-based photocatalysts, guiding the design of improved COF photocatalysts for many applications.
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