Den fotokatalytiska vattenoxidationsprocessen spelar en avgörande roll för att uppnå en effektiv sol-till-kemisk process genom att möjliggöra fotokatalytisk vattenspjälkning och CO2 /N2 fixering. Men bristen på väldesignade fotokatalysatorer för att övervinna den tröga kinetiken för vattenoxidation har hindrat den pågående forskningen. Därför är det viktigt att utveckla en effektiv fotokatalysator för vattenoxidation.
I en studie publicerad i Science Advances , Prof. Wang Yaobings team från Fujian Institute of Research on the Structure of Matter av den kinesiska vetenskapsakademin har föreslagit ett nytt tillvägagångssätt för den rationella designen av ett kovalent organiskt ramverk av jontyp (CoTPP-CoBpy3 ) med atomär ultratunna nanosheets-morfologi, hög vattenaffinitet, effektiv laddningsseparation och kinetisk gynnsam vattenoxidationsmekanism. CoTPP-CoBpy3 fotokatalysator för vattenoxidation överträffar de flesta av de rapporterade COF-baserade fotokatalysatorerna.
Forskarna visade den ultratunna nanosheetmorfologin hos CoTPP-CoBpy3 i olika lösningsmedel genom atomkraftsmikroskopi (AFM) och kryo-TEM (transmissionselektronmikroskopi). De bekräftade superhydrofilicitet genom kontaktvinkelmätningar (CA), zetapotentialtester och beräkningar av densitetsfunktionsteori (DFT).
Baserat på analysen av laddningsseparationsegenskapen genom femtosekunds transientabsorptionsspektra (fs-TA) insåg forskarna den ultrasnabba intramolekylära laddningsöverföringen (ICT) mellan två tripletttillstånd, en förlängd livstid för exciterad tillstånd och den vidarebefordrade elektronöverföringsvägen.
Genom att kombinera DFT-beräkningar och in situ försvagad totalreflektans infrarött spektrum (in situ ATR-IR) spektroskopi, visade de en end-on-typ superoxidradikaladsorption i det enda koboltaktiva stället för första gången, vilket tyder på en kinetiskt gynnsam vattenoxidationsväg .
Forskarna föreslår en elektron-mellanliggande kaskadmekanism för synergistisk koppling av den vidarebefordrade elektronöverföringsvägen och katalytisk vattenoxidation mellan evolutioner. En sådan elektron-mellankaskadmekanism understryker att det elektronreläerade tillståndet för den aktiva Co-platsen kan vara mer fördelaktigt för vattenoxidation snarare än en extrem hålackumulering.
Denna studie presenterar en effektiv vattenoxidationsfotokatalysatordesign, som erbjuder ett lovande exempel för utforskning av högpresterande vattenoxidationsfotokatalysatorer.
Mer information: Enbo Zhou et al, Ultratunna kovalenta organiska ramverk nanosheets för förbättrad fotokatalytisk vattenoxidation, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk8564
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
