- 新型 COF 材料可提高氫氣生成效率，助力可再生能源發展。
- 香豆素鏈接的 COF 展現出更高的構象剛性，抑制結構波動。
- 研究顯示香豆素鏈接的 COF 電荷分離持續時間長於傳統材料。
- 這項研究為高性能有機光催化劑的設計提供新思路。
由中國科學院寧波材料技術與工程研究所 (NIMTE) 的研究人員開發的香豆素鏈接的共價有機框架 (COF) 材料，為利用陽光從水中分離氫氣鋪平了道路。隨著全球尋求擺脫化石燃料的途徑，可再生能源如風能和太陽能日益受到重視。大型發電設施已經建立，為電網提供無碳能源。然而，這些來源產生的電力在需要高能量密度的領域無法完全取代化石燃料。在這些情況下，氫氣的表現優於可再生能源，因為它可以像富含碳的燃料一樣燃燒，同時只產生水作為副產品，並釋放大量能量。
然而，氫氣的生產可能會導致高碳排放，這促使研究人員尋找更好的方法。其中一種方法是利用陽光將水分子分解為氫和氧，技術上稱為光催化水分解。 為了進行光催化反應，科學家通常使用光有機催化劑，這是一種碳基化合物，能夠吸收可見光或紫外光並使電子提升至激發態，從而幫助氫氣的產生，這可能有助於解決全球面臨的能源危機。然而，在此過程中產生的電子和孔迅速重新結合，影響反應的整體效率。
光催化水分解的挑戰
因此，科學家們轉向共價有機框架 (COFs)，這些是由有機分子通過強共價鍵連接形成的多孔聚合物，並且具有高度可調性。在傳統的 COFs 中，靈活的連接會進行面外旋轉，這加劇了能量的耗散，也是催化過程效率降低的原因之一。因此，NIMTE 的研究人員與中國科學院物理化學技術研究所的同事合作，將剛性平面香豆素鏈接引入到完全共軛的 COF 中。
香豆素鏈接的優勢
與傳統的亞胺和乙烯鏈接相比，香豆素鏈接展現出更高的構象剛性，抑制了結構波動。該鏈接還促進了 π-電子的去局域化，有助於長距離電荷載流子傳輸並縮小能隙。研究人員觀察到，香豆素鏈接的 COF 顯示出改進的電荷分離，其電荷分離狀態的持續時間比亞胺鏈接的對應物長 1,000 倍。當使用 Pt 納米顆粒作為助催化劑時，來自 COF 的光生電子約在 407 皮秒內轉移至 Pt，有助於氫氣的生成。
氫氣生成速率的潛力
在 440 nm 照射下，香豆素鏈接的 COF 的氫氣產生速率達到 531 mmol g⁻¹ h⁻¹，並在 405 nm 時的量子產率為 37.95%。在可見光下，超過 420 nm 時，實現的氫氣產生速率為 166 mmol g⁻¹ h⁻¹，展示了太陽驅動氫氣生產的潛力。 NIMTE 教授張濤在新聞稿中解釋道：「這項工作提供了一種簡便有效的策略，通過鏈接工程調整共軛 COFs 中的電荷動力學，為高性能有機光催化劑在太陽氫氣生產中的設計和應用提供了啟示。」
該研究成果已發表在《自然合成》期刊上。
新型 COF 材料對氫氣生產的影響
隨著全球對可再生能源需求的上升，氫氣作為一種清潔能源的潛力愈發受到重視。研究人員通過開發新型 COF 材料，有效提升了氫氣的生成效率，這不僅有助於減少碳排放，還能促進可再生能源的應用。香豆素鏈接的 COF 透過提高電荷分離效率，為光催化技術的進一步發展提供了新的方向，顯示出在未來能源轉型中可能的關鍵角色。