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Hydrothermal Synthesis of Highly Crystalline Zwitterionic Vinylene-Linked Covalent Organic Frameworks with Exceptional Photocatalytic Properties

光催化 化学 离子键合 纳米棒 共价键 化学工程 结晶度 热液循环 催化作用 结晶 离子液体 纳米技术 离子 材料科学 有机化学 结晶学 工程类
作者
Zhao Zhang,Yuxi Xu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (46): 25222-25232 被引量:65
标识
DOI:10.1021/jacs.3c08220
摘要

Ionic covalent organic frameworks (COFs) featuring both crystallinity and ionic characteristics have attracted tremendous attention in recent years. Compared with single anion- or cation-containing ionic COFs, zwitterionic COFs possess unique functionalities beyond single ionic COFs such as tunable charge density and superhydrophilic and highly ion-conductive characteristics, endowing them with huge potential in various applications. However, it remains a considerable challenge to directly synthesize robust, highly crystalline zwitterionic COFs from the original building blocks. Herein, we report a green hydrothermal synthesis strategy to prepare highly crystalline zwitterionic vinylene-linked COFs (ZVCOFs) from the predesigned zwitterionic building block by utilizing 4-dimethylaminopyridine (DMAP) as the high-efficiency catalyst for the first time. Detailed theoretical calculations and experiments revealed that both the high catalytic activity of DMAP and the unique role of water contributed to the formation of highly crystalline ZVCOFs. It was found that the participation of water could not only remarkably reduce the activation energy barrier and thus enhance the reaction reversibility but also enable the hydration of zwitterionic sites and facilitate ordered layered arrangement, which are favorable for the ZVCOF crystallization. Benefiting from the highly π-conjugated structure and hydrophilic characteristic, the obtained ZVCOFs achieved an ultrahigh sacrificial photocatalytic hydrogen evolution rate of 2052 μmol h-1 under visible light irradiation with an apparent quantum yield up to 47.1% at 420 nm, superior to nearly all COF-based photocatalysts ever reported. Moreover, the ZVCOFs could be deposited on a support as a photocatalytic film device, which demonstrated a remarkable photocatalytic performance of 402.1 mmol h-1 m-2 for hydrogen evolution.
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