多组分一锅法构建苯并[f]喹啉连接的共价有机框架用于高效光催化H2O2合成

编辑推荐：为解决传统蒽醌法生产H2O2的高能耗问题，山东大学团队通过多组分反应开发了苯并[f]喹啉连接的COFs材料（B[f]QCOFs），实现了9025 μmol g-1 h-1的H2O2光合作用速率，AQY达8.9%，为设计稳定高效的COF光催化剂提供了新思路。

　　在当今能源与环境危机背景下，开发绿色高效的过氧化氢（H₂O₂）生产技术成为研究热点。传统蒽醌法存在高能耗、污染严重等问题，而光催化技术利用太阳能将水和氧气转化为H₂O₂展现出巨大潜力。共价有机框架（COFs）因其可设计的孔道结构和半导体特性被视为理想光催化剂，但传统亚胺连接的COFs存在稳定性不足的缺陷。山东大学的研究团队创新性地通过醛类、芳香胺和三乙胺的多组分[4+2]环化缩合反应，成功构建了苯并[f]喹啉连接的COFs（B[f]QCOFs）。该研究发表在《Nature Communications》上。

研究采用粉末X射线衍射（PXRD）和Materials Studio模拟确定晶体结构，通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）验证化学连接，利用紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）和莫特-肖特基（M-S）测试分析光电性质，并运用飞秒瞬态吸收光谱（fs-TA）研究电荷转移动力学。

研究结果显示，B[f]QCOF-1具有3.5 nm孔径和756 m² g^-1的BET比表面积，在350°C以下保持稳定。光学带隙为2.42 eV，导带和价带位置分别为-0.35 V和+2.07 V（vs. NHE），满足氧还原（ORR）和水氧化（WOR）反应的热力学要求。通过同位素标记实验证实了双电子ORR和WOR协同路径，DRIFTS光谱检测到878 cm^-1（O-O键）和1263 cm^-1（内过氧化物中间体）特征峰。

在纯水中，B[f]QCOF-1的H₂O₂产率达9025 μmol g^-1 h^-1，AQY为8.9%（450 nm），太阳能转化效率0.23%，优于自然光合作用。机理研究表明，喹啉环邻近的苯环是O₂吸附活性位点，而较低的激子结合能（93 meV）和较长的载流子寿命（162 ps）促进了电荷分离。

该工作不仅拓展了全共轭COFs的合成方法学，更为设计高效稳定的光催化剂提供了新范式。通过精准调控COFs的电子结构和活性位点，实现了自然光驱动下的高效H₂O₂合成，为绿色化学合成和太阳能转化提供了重要参考。