共价有机框架材料在光催化领域中的应用

共价有机框架(COFs)材料是有机构筑基元通过共价键连接而形成的晶态有机多孔材料. COFs具有孔道结构规整、及比表面积高等特点,被广泛地应用于气体储存与分离、催化、传感、储能及光电转化等领域.将具有可调吸光能力的有机构筑基元引入到COFs中,可使其展现出强大的光催化潜力.近年来, COFs在光催化领域中发展迅猛.本文总结了COFs在光催化产氢、光催化二氧化碳还原、光催化有机反应以及光催化污染物降解等方面的研究进展,并展望了其在光催化领域的应用前景.     

基于噻唑并噻唑的共价有机框架微球用于蓝光光催化胺的选择性需氧氧化（英文）

含有光活性单元的共价有机框架材料由于具有高结晶度、均匀的孔隙、大的比表面积以及较好的光电性能等优势,已在可见光光催化领域引起了研究者们的广泛关注,为氧气分子的活化提供了一种非金属的选择.目前,已有很多关于将光活性单元引入共价有机框架构建高效可见光光催化体系的报道.作为一种典型的光活性单元,具有缺电子性质的噻唑并噻唑基团有着稳定的共轭平面结构以及很好的氧化稳定性.此外,基于噻唑并噻唑的有机聚合物材料往往表现出较好的可见光吸收能力.因此,噻唑并噻唑单元在构建高效可见光光催化剂方面具有较好的应用潜力.但是由于其涉及的反应过程可逆性低,所以噻唑并噻唑很少被引入到共价有机框架中构建光催化体系.为了克服该困难,可以将噻唑并噻唑基团嵌入到具有良好可逆性端基基团的结构单元中再将其用于共价有机框架的构建.根据该策略,本文将噻唑并噻唑基团嵌入到二氨甲基联苯(BD)中,得到了噻唑并噻唑基二苯胺(DTz).在有机碱四氢吡咯的催化下,利用溶剂热方法,将三甲酰基间苯三酚(Tp)分别与BD和DTz组装,成功制得两种β-酮烯胺连接的共价有机框架(TpBD-COF和TpDTz-COF),并将其应用于可见光光催化胺的选择...     

卟啉共价有机框架化合物的研究进展

共价有机框架化合物(COFs)是一类新兴的具有多孔结构的晶态有机聚合物,在储存与分离、催化、能量转化等领域具有广泛应用。本文介绍了一类基于卟啉单元的COFs,从框架构筑及应用开发两方面综述了这类材料的研究进展。     

氮化碳启发的共价有机框架光催化剂用于高效过氧化氢光合成（英文）

过氧化氢(H₂O₂)是一种绿色高效氧化剂,广泛应用于医药、食品和造纸等领域.传统制备方法为蒽醌氧化法,但该法不仅耗能高,工艺复杂,而且会产生大量废水、废气和固体废物.探索绿色温和条件下新的H₂O₂合成方法成为当前研究热点.其中,以太阳能为驱动力的光催化H₂O₂合成策略广受关注.在光催化反应过程中,半导体光催化剂扮演着至关重要的角色,它们捕获光能、产生光生电荷并引发界面的氧化还原反应.因此,开发高效半导体催化剂是实现高效光催化H₂O₂合成的关键.氮化碳(C₃N₄)是目前应用最为广泛的H₂O₂光合成催化剂.研究表明, C₃N₄中的庚嗪基团能够和活性氧中间体形稳定加成产物,有利于H₂O₂的选择性生成.然而,由于C₃N     

取代基效应对对称共价有机框架光催化性质的影响（英文）

对称共价有机框架(COF)光催化剂通常存在电荷分离效率低和光激发态寿命短的问题.通过密度泛函理论和含时密度泛函理论计算,本文发现了用一个或两个取代基(N或NH₂)在具有代表性的对称共价有机框架(No-COF)的连接单元内进行部分取代可得到具有电荷分离特征的共价有机框架(N₁-COF、N₂-COF、(NH₂)₁-N₀-COF和(NH₂)₂-N₀-COF).此外,还发现N₀-COF的最高占据晶体轨道和最低未占据晶体轨道的能级位置可通过取代远离或靠近真空能级,这取决于取代基的吸电子或给电子特性.因此,本文提出了通过精心选择具有吸电子或给电子效应的取代基,并在对称共价有机框架的连接单元内进行部分取代,所获得的共价有机框架可具有高效的电荷分离以及驱动特定光催化反应的合适最高占据晶体轨道和最低未占据晶体轨道能级位置.该规则可用于进一步提升许多具有对称性的共价有机框架的光催化性能.     

咔唑基共价有机框架用于光催化析氢

光催化析氢反应是获得高纯氢气的一种具有广阔应用前景的技术. 目前, 开发经济高效、 经久耐用的催化剂仍然是一个巨大的挑战. 我们以3,3'',6,6''-四醛-9,9''-双咔唑和3,7-二氨基二苯并[b,d]噻吩-5,5-二氧化物为基本构建单元, 通过经典的席夫碱反应, 合成了供体-受体型咔唑基共价有机框架(CZ-COF), 对其结构进行了表征, 并探究了其光催化析氢性能. CZ-COF展现了优异的光催化活性, 平均产氢速率为31 μmol·h^-1.     

共价三嗪框架复合Co单活性位点光催化制合成气

合成气是费托合成的关键原料,目前其主要是通过天然气重整或煤气化来制备,但是该制备过程需要苛刻的合成条件.光催化技术利用太阳能将CO2还原制备合成气是未来能源开发的重要研究方向.到目前为止,已经开发了许多用于生产合成气的光催化系统.然而,大多数催化体系使用昂贵的金属如Re和Ru作为光敏剂和或催化剂,利用非贵金属催化剂光催化还原CO2制合成气是实现环境可持续发展的一种有效方法.共价三嗪框架(CTF)由于具有可调节的光吸收性质、在分子水平上可调节的电子结构、高表面积和富氮结构,因而在光催化体系中具有明显优势.在此,我们设计了一种基于分子内异质结的CTF光催化CO2还原生成合成气体系,通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、核磁共振波谱(NMR)和X射线光电子能谱(XPS)等表征证明了CTF内的分子内异质结,采用X射线多晶衍射(XRD)、比表面积及孔隙度分析(BET)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见吸收光谱(UV-Vis DRS)等表征手段充分研究了CTF的组成、结构与光学性质.将所制备的CTF光催化剂应用于可见光催化还原CO2反应中,实验结果表明,基于分子内异质结的CTF在10 h内达到3303μmol g^-1(CO:H2=1.4:1)的合成气产率,相对于不具有分子内异质结的CTF催化体系,产率提高了3倍.时间分辨荧光发射衰减光谱、荧光光谱和瞬时光电流图谱等测试结果表明,分子内异质结极大提高了CTF内光生载流子的空间分离和转移效率.反应体系中自组装形成的吡啶Co配合物作为Co单活性位点可有效吸附和配位活化CO2分子.理论计算进一步证明含有分子内异质结结构的CTF能极大地促进电荷分离效率,从而实现催化性能的增强.这项工作不仅显示了CTF在光催化等领域潜在的应用前景,而且为合理设计基于CTF的光催化体系提供了新的见解.     

共价有机框架材料在光催化CO2还原中的应用

全球范围内化石燃料的大量消耗导致了能源危机,同时其所排放的CO₂等温室气体使环境问题日渐突出。将CO₂等废气进一步转化为高附加值燃料是解决能源与环境问题的理想方案。利用取之不尽的太阳能作为能源实现光催化CO₂还原为能源化合物被认为是有效解决此问题的最佳途径之一。共价有机框架材料(COFs)是一类新型晶态多孔有机聚合物材料,具有结构稳定性、可设计性和结构多样化的特征,因此在光催化CO₂还原领域表现出了巨大潜力。本文概述了近年来COFs在光催化CO₂还原领域中的催化应用研究进展,包括引入不同金属离子提供活性位点、增加光敏性官能团提高其对可见光利用率等方法。最后对以COFs材料为光催化CO₂还原催化剂的研究进行了总结和展望,我们认为更进一步的新材料合成、修饰与催化机理研究仍是前景广阔的研究领域。     

卟啉框架材料在光催化领域的应用

卟啉分子对可见光具有较强吸收能力,被广泛应用于光催化和光敏化材料的设计开发。 基于卟啉单元设计构筑框架结构材料,可以借助框架结构的大比表面积和可调控孔结构,实现对卟啉单元光物理化学性质的修饰和调控,达到提高材料光催化量子产率和光催化选择性的目的。 本文综述了卟啉基金属有机框架材料(MOFs)、卟啉基共价有机框架材料(COFs)、以及卟啉基多孔共价有机聚合物(COPs)在光催化领域的研究进展,通过归纳需要解决的关键问题,对卟啉框架材料的未来发展进行了展望。     

具有可控载流子动力学的烯烃连接的共价有机框架用于高效太阳能光催化制氢（英文）

太阳能光催化水直接制氢被认为是未来解决全球能源危机和环境污染问题的有效途径之一.COFs是一类新兴的有机结晶多孔聚合物光催化剂,具有巨大的发展空间.当前研究最多的是亚胺键连接的COFs光催化剂,其骨架的π-共轭程度相对较低,且亚胺键上的氮容易受到质子攻击,会影响光化学过程和光催化性能.烯烃(C=C键)连接的COFs是全π-共轭的,具有促进的载流子迁移率和超高的化学稳定性,是极具潜力的光催化反应平台.然而,由于C=C键的不可逆特性,成功构筑具有高结晶度和孔隙率的烯烃连接的COFs仍极具挑战.构建D-A结构被认为是提升其光催化活性的有效策略之一,但目前具有D-A结构的烯烃连接的COFs光催化研究较少.本文提出了一种简单的分子工程策略来调控烯烃连接COFs的D-A相互作用以实现高效的光催化产氢.将2,4,6-三甲基1,3,5-三嗪(TM)分别与对苯二甲醛(TA)、 2,5-二甲基对苯二甲醛(MA)和3,3’-二甲基-4,4’-二醛基联苯(DMA)通过Knoevenagel聚合反应制备三种D-A型烯烃连接的COFs,即TM-TA-COF, TM-MA-COF和TM-DMA-COF,系统考察了引...     

共价有机框架催化材料:二氧化碳转化与利用

多相催化二氧化碳(CO₂)高效转化为高附加值的精细有机化学品和化工燃料,具有非常重要的研究价值和工业应用潜力。共价有机框架材料(Covalent Organic Frameworks, COFs)由于其高比表面积、有序的孔道结构、高化学和热稳定性、可控的催化位点等特性,在CO₂吸附和转化方面都展现出突出的优势。通过合理的策略从分子水平对其孔道或表面进行改性引入功能性物种或催化活性位点,能够有效实现其对特定反应的选择性调控并提供物质传输的有利微环境,因此COFs材料近年来在CO₂催化转化领域中得到了迅速的发展,也具有良好的应用前景。本文针对近几年COFs材料在CO₂转化为重要化学品的研究领域进行了简要的综述,总结当前存在的问题,并对COFs催化材料今后在CO₂转化领域的发展进行了展望。     

二维共价有机框架材料的可控合成及其光催化应用研究进展

通过模拟自然界光合作用, 将太阳能转化为方便存储的化学能是缓解未来能源短缺和环境污染问题的理想途径之一. 二维共价有机框架材料(2D COFs)是近年来发展起来的一类新型有机半导体材料, 具有结晶度高、结构精确以及化学组分灵活可调等优势, 在光催化领域展现出巨大应用潜力, 受到了研究者们的广泛关注. 对2D COFs的可控制备以及电子结构调控方法进行了系统总结, 并重点介绍了它们在光催化水分解、CO₂还原以及H₂O₂合成领域的最近研究进展, 讨论了材料结构和催化性能之间的关系, 最后对2D COFs在光催化应用领域存在的机遇和挑战进行了展望.     

基于金属钴配合物的均相光催化还原二氧化碳研究进展

本文综述了自20世纪80年代以来基于钴配合物的均相光催化二氧化碳还原研究成果,以钴配合物催化剂的结构分类并结合时间顺序回顾了近四十年来该领域的发展轨迹,重点总结了用于光催化二氧化碳还原研究的金属钴配合物的结构、催化活性以及光催化体系的构成等特点,分析了该领域面临的挑战并展望了未来的发展方向。     

卟啉-硫醚基共价有机框架材料用于氧还原反应电催化剂

氧还原反应（ORR）是能进行能量存储的核心电化学过程。由于它的动力学速率缓慢,因此亟需制备出高活性的电催化剂来促进这一反应的速率。二维共价有机框架材料（2D COFs）的π-π堆积结构可赋予骨架高导电率,并且一维有序的孔道有利于促进中间反应体传输。因此,其在可再生能源领域中具有良好的应用前景,并有望作为能量存储与转化的强大催化平台。本文通过向2D COFs中引入金属卟啉单元及硫醚单元成功制备了两个2D COFs （JUC-600和JUC-601）。通过多种表征手段证明,这两个2D COFs均具有AA堆积的sql拓扑结构。通过电化学测试表明,Co²⁺配位的JUC-601具有更正的ORR起始电势（0.825 V）和半波电势（0.7 V）、更高的活性表面积（7.8 mF/cm²）,更低的Tafel斜率（58 mV/dec）。这主要是由于JUC-601的高比表面积和高孔隙率使得中间产物能更易在COFs的表面和孔道中接触和传输。此外,Co²⁺-卟啉单元以及硫醚单元的存在使其骨架整体的电子结构发生了变化,更有利于电子转移。这一工作不仅开发了新的二维卟啉-硫醚基COFs材料,同时也拓展了2D COFs材料在电催化领域的应用。     

离子型共价有机框架材料的合成及其催化性能（英文）

共价有机框架(COFs)材料是在拓扑学基础上发展起来的一类新型有机晶体多孔聚合物.由于COFs材料具有较高的比表面积、良好的热稳定性和化学稳定性、可设计的孔结构以及容易修饰改性的特点,目前广泛用作催化剂或催化剂载体.COFs的构筑单体为有机小分子,其来源广泛且种类繁多,使得构筑单体多样化,便于通过构筑单体来调控目标材料的结构和功能.近年来对COFs的研究已经引起人们广泛关注.离子框架材料在气体分子的吸附与分离领域展示了良好性能,通过简单的离子交换过程,可以容易地将具有特定尺寸和功能的反离子引入到框架结构中来调控孔的尺寸大小,从而实现混合气体的有效分离.然而,在催化领域目前尚未见将具有特定催化功能的反离子基团引入到框架之中,研究离子框架材料的催化性能.本文设计合成了一种负电荷为骨架结构的离子型COFs材料.我们首先选取一种化学结构稳定的COF作为骨架前驱体,其中的单体具有可反应的活性基团酚羟基,然后通过与1,3-丙烷磺酸内酯进行开环反应,将烷基磺酸引入到孔中,经过弱碱处理后得到阴离子型COFs(I-COFs),然后通过简单的离子交换过程将具有催化活性的Mn2+以及[Mn(bpy)2]2+配位阳离子分别引入到COFs框架中,得到具有催化功能的新材料.我们考察了两种I-COFs对烯烃氧化制环氧化合物的催化性能,发现所得离子COFs对不同的反应底物均展示了较高的环氧化催化性能.结果证实了离子I-COF催化反应为多相催化,还表现出I-COFs催化剂具有较高的稳定性以及循环使用性能.我们认为,通过简单的离子交换过程,能够赋予I-COFs材料各种不同的功能,从而实现COFs在不同领域的应用.这为多孔材料的功能化设计提供了新的化学平台.     

一种锚定精细金纳米颗粒的硫醚功能化芘基共价有机框架用于高效光催化制氢（英文）

氢能(H₂)因其高能量密度而被认为是一种有望解决全球能源危机,极具应用前景的可再生能源.光催化分解水制氢技术在能源研究领域受到广泛的关注,国内外研究者在探索和开发高效光驱动制氢的光催化剂方面做出了巨大努力.近年来,共价有机框架(COFs)因结晶性高、比表面积大和结构可设计性强等特性,而成为最具潜力的光催化有机多孔材料之一,并广泛应用于光催化分解水制氢.此外,由强共价键构筑而成的COFs,尤其是酰腙链接的COFs,通常展现出较好的结构稳定性,这有利于催化剂在光催化水分解过程中保持稳定的结构.然而,大多数纯COFs由于表面电荷传输缓慢以及光生载流子容易复合,使其光催化分解水性能不理想.如何加快电荷传输,促进光生载流子分离,进而提高COFs的光催化效率成为关键问题.本文制备了一种新型硫醚功能化的芘基COF(S4-COF),通过原位光沉积技术将精细金纳米颗粒(Au NPs)负载于S₄-COF上,制得Au@S₄-COF复合光催化剂,并用于光催化分解水制氢.通过傅里叶变换红外光谱、核磁共振波谱、X射线多晶衍射、扫描电子显微镜、透射电...     

共价有机框架材料的离子化改性及其催化合成环碳酸酯的性能研究（英文）

共价有机框架(COFs)材料是继金属-有机框架材料之后,在拓扑学基础上发展起来的又一类多孔材料.这类材料是由轻质元素(C, H, O, N, B, Si等)通过可逆共价键连接而成的结晶性有机多孔聚合物,具有比表面积大、骨架密度低、孔道结构规整、可人为设计以及表面易修饰改性等特点,自2005年首次报道以来就引起了人们的广泛关注.经过十多年的发展,COFs材料已经被广泛用于气体吸附/分离、光电、能量存储、非均相催化等研究领域.由于材料的多孔性以及相对稳定的特点,近年来COFs材料作为催化剂或催化剂载体用于多相催化反应已经成为该领域的一个研究热点.但是到目前为止,COFs材料的离子化改性用于异相催化相关研究还相对较少.本文选择二维骨架中含有羟基基团的H₂P-DHPhCOF作为载体,通过两步接枝反应成功地将咪唑型离子液体引入到COF材料的孔道中;采用红外光谱、核磁共振、粉末X射线衍射、热失重分析等方法详细地表征了COF材料在后修饰过程中的变化.研究发现, 1,4-二溴丁烷与N-甲基咪唑基团的引入占据了部分孔道,导致框架材料的孔径和孔容减小.同时,我们还将该改性后的离子型C...