Hoogwaardige fotokatalytische wateroxidatie gerealiseerd via ultradunne covalente organische raamwerk-nanosheets

Het fotokatalytische wateroxidatieproces speelt een cruciale rol bij het bereiken van een efficiënt zonne-naar-chemisch proces door fotokatalytische watersplitsing en CO2 mogelijk te maken₂/N₂ fixatie. Het gebrek aan goed ontworpen fotokatalysatoren om de trage kinetiek van wateroxidatie te overwinnen heeft het lopende onderzoek echter belemmerd. Daarom is het belangrijk om een ​​efficiënte fotokatalysator voor wateroxidatie te ontwikkelen.

In een onderzoek gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgangheeft het team van prof. Wang Yaobing van het Fujian Institute of Research on the Structure of Matter van de Chinese Academie van Wetenschappen een nieuwe benadering voorgesteld voor het rationele ontwerp van een covalent organisch raamwerk van het ionische type (CoTPP-CoBpy₃) met atomaire ultradunne nanosheets-morfologie, hoge wateraffiniteit, efficiënte ladingsscheiding en kinetisch favoriet wateroxidatiemechanisme. De CoTPP-CoBpy₃ wateroxidatie fotokatalysator presteert beter dan de meeste gerapporteerde COF-gebaseerde fotokatalysatoren.

De onderzoekers demonstreerden de ultradunne nanosheet-morfologie van CoTPP-CoBpy₃ in verschillende oplosmiddelen door atomaire krachtmicroscopie (AFM) en cryo-TEM (transmissie-elektronenmicroscopie). Ze bevestigden de superhydrofiliciteit door contacthoekmetingen (CA’s), zeta-potentiaaltests en berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT).

Gebaseerd op de analyse van de ladingsscheidingseigenschap door femtoseconde transiënte absorptie (fs-TA) spectra, realiseerden de onderzoekers de ultrasnelle intramoleculaire ladingsoverdracht (ICT) tussen twee triplettoestanden, een langere levensduur van de geëxciteerde toestand en de doorgegeven elektronenoverdrachtsroute.

Door DFT-berekeningen en in situ verzwakte totale reflectie-infraroodspectrum (in situ ATR-IR) spectroscopie te combineren, hebben ze voor het eerst een end-on type superoxide radicaaladsorptie in de enkele actieve kobaltplaats aangetoond, wat een kinetisch gunstige wateroxidatieroute suggereert. .

De onderzoekers stellen een elektron-intermediair cascademechanisme voor van synergetische koppeling van de doorgegeven elektronenoverdrachtsroute en tussenliggende katalytische wateroxidatie-evoluties. Een dergelijk elektron-intermediair cascademechanisme benadrukt dat de door elektronen doorgegeven toestand van de Co-actieve plaats gunstiger zou kunnen zijn voor wateroxidatie dan voor een extreme accumulatie van gaten.

Deze studie presenteert een efficiënt ontwerp van een fotokatalysator voor wateroxidatie, dat een veelbelovend voorbeeld biedt voor onderzoek naar hoogwaardige fotokatalysatoren voor wateroxidatie.