新型 COF 材料提升氢气生成效率及延长充电寿命

由中国科学院宁波材料技术与工程研究所 (NIMTE) 的研究人员开发的香豆素链接的共价有机框架 (COF) 材料，为利用阳光从水中分离氢气铺平了道路。随着全球寻求摆脱化石燃料的途径，可再生能源如风能和太阳能日益受到重视。大型发电设施已经建立，为电网提供无碳能源。然而，这些来源产生的电力在需要高能量密度的领域无法完全取代化石燃料。在这些情况下，氢气的表现优于可再生能源，因为它可以像富含碳的燃料一样燃烧，同时只产生水作为副产品，并释放大量能量。

然而，氢气的生产可能会导致高碳排放，这促使研究人员寻找更好的方法。其中一种方法是利用阳光将水分子分解为氢和氧，技术上称为光催化水分解。 为了进行光催化反应，科学家通常使用光有机催化剂，这是一种碳基化合物，能够吸收可见光或紫外光并使电子提升至激发态，从而帮助氢气的产生，这可能有助于解决全球面临的能源危机。然而，在此过程中产生的电子和空穴迅速重新结合，影响反应的整体效率。

光催化水分解的挑战

因此，科学家们转向共价有机框架 (COFs)，这些是由有机分子通过强共价键连接形成的多孔聚合物，并且具有高度可调性。在传统的 COFs 中，灵活的连接会进行面外旋转，这加剧了能量的耗散，也是催化过程效率降低的原因之一。因此，NIMTE 的研究人员与中国科学院物理化学技术研究所的同事合作，将刚性平面香豆素链接引入到完全共轭的 COF 中。

香豆素链接的优势

与传统的亚胺和乙烯链接相比，香豆素链接展现出更高的构象刚性，抑制了结构波动。该链接还促进了 π-电子的去局域化，有助于长距离电荷载流子传输并缩小能隙。研究人员观察到，香豆素链接的 COF 显示出改进的电荷分离，其电荷分离状态的持续时间比亚胺链接的对应物长 1,000 倍。当使用 Pt 纳米颗粒作为助催化剂时，来自 COF 的光生电子约在 407 皮秒内转移至 Pt，有助于氢气的生成。

氢气生成速率的潜力

在 440 nm 照射下，香豆素链接的 COF 的氢气产生速率达到 531 mmol g⁻¹ h⁻¹，并在 405 nm 时的量子产率为 37.95%。在可见光下，超过 420 nm 时，实现的氢气产生速率为 166 mmol g⁻¹ h⁻¹，展示了太阳驱动氢气生产的潜力。 NIMTE 教授张涛在新闻稿中解释道：“这项工作提供了一种简便有效的策略，通过链接工程调整共轭 COFs 中的电荷动力学，为高性能有机光催化剂在太阳氢气生产中的设计和应用提供了启示。”

该研究成果已发表在《自然合成》期刊上。

新型 COF 材料对氢气生产的影响

随着全球对可再生能源需求的上升，氢气作为一种清洁能源的潜力愈发受到重视。研究人员通过开发新型 COF 材料，有效提升了氢气的生成效率，这不仅有助于减少碳排放，还能促进可再生能源的应用。香豆素链接的 COF 通过提高电荷分离效率，为光催化技术的进一步发展提供了新的方向，显示出在未来能源转型中可能的关键角色。