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Nano Res.[合成]│王义课题组:调节COF能带结构增强光催化过氧化氢产生

已有 438 次阅读 2024-11-12 14:56 |个人分类:Nano Research|系统分类:论文交流

背景介绍

过氧化氢（H₂O₂）作为一种重要的绿色氧化剂，在杀菌和水处理方面具有重要的应用。针对H₂O₂的广泛需求，寻求一种简单的方法生产H₂O₂是研究者所追求的目标。光催化生产H₂O₂由于操作简单可控和无二次污染等优点，近年来受到广泛关注。通常，光催化产生H₂O₂需要借助高效的光催化活性材料。由C、H等轻质元素组成的COF材料具有分子结构可调、带隙可控、孔隙率高、比表面积大等优点，是一种优良的光催化剂，在光催化H₂O₂生产方面展示出重要的应用潜力。然而，对于H₂O₂的高效生产来说，COF依然有许多问题需要克服，例如COF的光吸收范围较窄，无法充分吸收太阳能；材料自身的光生载流子快速复合，电荷分离和转移的速度较慢，会降低光催化效率。

成果简介

王义课题组通过界面介导的希夫碱反应，在碳纳米管上直接合成了亚胺键三嗪基COF，形成了管状纳米复合物，命名为CNT@COF。质子化后得到的CNT@COF-H显著提高了光催化产生H₂O₂的能力，在一个太阳照射下可达到790.5 μM·h^-1的速率。这一性能超越了未改性的COF，也超过了许多其他COF基材料。进一步的研究表明，质子化提高了对底物的可接近性，而集成的CNT作为电子传递体，扩大了光吸收并减少了电荷重组，从而提高了光催化活性。CNT@COF-H具有很强的光催化杀菌能力和明显的染料降解效果，为高效、环保地生产H₂O₂提供了一种可行的方法（图1）。

图1. CNT@COF-H上光催化H₂O₂生产示意图。

图文导读

图2. (a) COF、(b) COF-H、(c) CNT、(d) CNT@COF和(e) CNT@COF-H的SEM和TEM（插图）图像。(f) CNT@COF-H中C、N和O元素的HRTEM、STEM和EDS图谱。(g) 孔径分布曲线，(h) XRD图样、(i) 拉曼光谱和(j) 傅立叶变换红外光谱。

图3. (a) 不同材料的XPS光谱和相应的(b) C 1s和(c) N 1s高分辨率光谱。(d) 不同材料的固态¹³C-NMR图谱。(e) COF，COF-H和CNT@COF-H的水接触角。

图4. (a) 紫外-可见-近红外漫反射光谱和(b) 不同材料的Kubelka-Munk函数与计算带隙的对应图。(c) 电子从CNT@COF-H的价带转移到导带以产生H₂O₂的示意图。(d) 不同材料的PL光谱、(e) 光电流响应图、(f) EIS图和(g) 电子局域函数(ELF)。

图5. (a) 不同材料在不同时间段接受刺激性阳光照射（0.1 W/cm²）后产生H₂O₂的曲线。(b) 分散在10 mL水溶液中的5mg CNT@COF-H在刺激性阳光照射（0.1 W/cm²）下40分钟五个周期的H₂O₂产量比较。(c) CNT@COF-H在不同波长下产生H₂O₂的表观量子产率。(d) CNT@COF-H在不同条件下的EPR图。(e) CNT@COF-H在不同气氛的水溶液中产生H₂O₂的光催化能力比较。(f) 添加不同自由基捕获剂后CNT@COF-H光催化产生H₂O₂的能力比较。(g) CNT@COF-H在ORR实验中的LSV扫描曲线。(h) 在Fe²⁺辅助的芬顿反应中，CNT@COF-H通过产生的H₂O₂降解罗丹明B。(i) 大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的琼脂平板照片。这些溶液分别为PBS溶液、CNT@COF-H产生的H₂O₂溶液，以及Fe²⁺与产生的H₂O₂混合溶液。所有数据均以均数±SD表示（n = 3）。

图6. (a) COF-H和CNT@COF-H模型体系的价带最大值（VBM）和导带最小值（CBM）的分布。(b) COF、COF-H和CNT@COF-H上光催化H₂O₂演化反应的自由能曲线。

作者简介

东华大学先进低维材料中心王义课题组近年来主要从事生物材料的制备与应用研究，发展了一系列有机-无机杂化纳米材料用于肿瘤诊断与治疗（化疗、物理治疗和免疫治疗）、抗菌治疗以及皮肤组织修复。作为第一/通讯作者（含共同）在SCI期刊发表论文55余篇，包括 JACS、Nano Lett、ACS Nano、AFM、Nano Today、Biomaterials、Small、J. Mater. Chem. A等国际权威期刊。获授权发明专利9项，PCT申请1项。获得教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学二等奖（R2）、上海药学科技奖二等奖（R2）和江苏医学科技奖二等奖（R4）。

文章信息

Yang L, Lv W, Wang Y, et al. Carbon nanotube incorporation and framework protonation-regulated energy band for enhanced photocatalytic hydrogen peroxide production of COF. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907024.