p‐π Conjugated Covalent Organic Frameworks Expedite Molecular Triplet Excitons for H2O2 Production Coupled with Biomass Upgrading

共价有机骨架 共价键 材料科学 单线态氧 光化学 选择性 光催化 氧气 化学 有机化学 催化作用 冶金
作者
Fan Zhang,Ximeng Lv,Haozhen Wang,Junzhuo Cai,Huining Wang,Shuai Bi,Ruilin Wei,Chao Yang,Gengfeng Zheng,Qing Han
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:37 (17): e2502220-e2502220 被引量:37
标识
DOI:10.1002/adma.202502220
摘要

High-efficiency production of triplet states in covalent organic framework photocatalysts is crucial for high-selectivity oxygen (O2) reduction to hydrogen peroxide (H2O2). Herein, fluorine and partial fluorine atoms are incorporated into an olefin-linked triazine covalent organic framework (F-ol-COF and HF-ol-COF), in which the adjacent fluorine (F) atoms-olefinic bond forms p-π conjugation that induces spin-polarization under irradiation, thus expediting triplet excitons for activating O2 to singlet oxygen (1O2) and contributing to a high H2O2 selectivity (91%). Additionally, the feasibility of coupling H2O2 production with the valorization of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) is exhibited. The F-ol-COF demonstrates a highly stable H2O2 yield rate of 12558 µmol g-1 h-1 with the HMF-to-functionalized furan conversion yield of 95%, much higher than the partially fluorinated COF (HF-ol-COF) and the non-fluorinated COF (H-ol-COF). Mechanistic studies reveal that F-incorporation promotes charge separation, intensifies the Lewis acidity of the carbon atoms on the olefinic bond as active sites for O2 adsorption, and provides highly concentrated holes at the triazine unit for HMF oxidation upgrading. This study suggests the attractive potential of rational design of porous-crystalline photocatalysts for high-efficiency photocatalytic O2 reduction to H2O2 and biomass upgrading.
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