将共价有机框架(COFs)作为光催化剂应用于制氢领域具有诸多优势，然而探究配体几何结构与配体类型对框架面内π-电子共轭程度以及COFs光催化性能的影响仍然是一项重大挑战。前期，我院李龙玉特聘研究员团队基于齐聚苯撑乙烯基单元(OPV)，设计并合成了一系列新型框架材料，展现出优异的光解水制氢潜力，相关成果发表于化学领域期刊Angew. Chem. Int. Ed，2023, e202304611，Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202216073，J. Mater. Chem. A, 2023, 11, 14760-14767。
近日，李龙玉特聘研究员团队进一步通过“二合一”席夫碱缩合反应合成了两种新型的具有kgm拓扑的OPV基亚胺连接共价有机框架(COF-953和COF-954)，并通过光解水产氢评估不同连接子键结构对COFs光电性能的影响，同时对反应机理进行了详细解释。相关研究成果发表于材料领域期刊Adv. Mater.，论文的第一作者为硕士研究生钟岳琳和博士研究生董文博，通讯作者为我院李龙玉研究员和任世杰教授。
本研究团队采用“二合一”策略成功设计并合成出两种基于kgm拓扑低聚(苯撑乙烯)的COFs用于促进光催化制氢性能。COFs结构中，对位连接的OPV嵌段不仅可以增强并扩大光吸收性能，在紫外光/可见光照射下产生更多的载流子，并且由于π-共轭结构的扩展得以加速载流子的分离与传输特性，从而实现光催化性能的显著提升。在可见光照射下，含有5 wt% Pt助催化剂的COF-954表现出高达137.23 mmol g−1h−1的析氢速率(HER)，优于此前报道的绝大多数COF基光催化剂。更重要的是，即便在天然海水体系中，COF-954于紫外-可见光照射下仍然具有191.70 mmol g−1h−1的平均HER值。此外，室内与室外排水测试表明，在紫外-可见光和自然阳光照射下，80分钟内可分别产生25 mL和8 mL氢气，对应着167.41和53.57 mmol h−1g−1的高HER值。该研究不仅提供了一种高效COF基光催化剂的有效设计策略，并且在利用COF基光催化剂应用于制氢领域方面显示出巨大潜力。
图 1：COFs的合成策略及晶体结构表征
图 2：COFs的光电性能
图 3：不同COFs和类似聚合物的化学结构及析氢速率
图 4：不同条件下的COF-954的产氢速率、表观量子效率测试、长循环测试、性能对比图以及排水法实验照片
研究团队认为，该研究不仅证实了OPV基COFs可作为增强光催化制氢性能的卓越平台，而且为新型框架光催化剂的结构设计及其在太阳能转化过程中的应用提供了深刻见解。
相关论文信息：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202308251
撰稿：钟岳琳
编辑：杨燕玲
审核：刘向阳
