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【DFT+實(shí)驗(yàn)】蘭亞乾教授，最新Angew！純水中光合成過(guò)氧化氫

成果簡(jiǎn)介

光催化合成過(guò)氧化氫是一種潛在的清潔方法，但是光催化劑中氧化和還原位點(diǎn)之間的較遠(yuǎn)距離阻礙了光生電荷的快速轉(zhuǎn)移，限制了其性能的提高?；诖?，南京師范大學(xué)蘭亞乾教授和劉江教授（通訊作者）等將用于氧氣還原反應(yīng)(ORR)的金屬位點(diǎn)(Co位點(diǎn))與用于水氧化反應(yīng)(WOR)的非金屬位點(diǎn)(配體的咪唑位點(diǎn))直接配位構(gòu)建了金屬-有機(jī)籠型光催化劑Co₁₄(L-CH₃)₂₄，該方法縮短了光生電子和空穴的傳遞路徑從而提高了電荷的傳遞效率和光催化劑的活性。結(jié)果就是在氧氣飽和的純水中，該高性能催化劑在無(wú)犧牲劑情況下的過(guò)氧化氫生成速率高達(dá)146.6 μmol g^-1?h^-1。

此外，結(jié)合光催化實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算證明了配體的功能化修飾更有利于吸附關(guān)鍵中間體(WOR為*OH, ORR為*HOOH)從而獲得更好的性能。本工作首次提出了一種新的催化策略，即在結(jié)晶催化劑中構(gòu)建金屬-非金屬協(xié)同活性位點(diǎn)，利用金屬有機(jī)籠固有的主客體化學(xué)特性，增加底物與催化活性位點(diǎn)之間的接觸，最終實(shí)現(xiàn)高效光催化過(guò)氧化氫合成。

研究背景

H₂O₂是一種清潔的化學(xué)氧化劑，副產(chǎn)物只有水和氧，因其成本低、對(duì)環(huán)境影響小而被廣泛應(yīng)用于造紙、紡織漂白、化學(xué)合成、廢水處理、小型燃料電池等領(lǐng)域。目前，蒽醌法、電催化O₂還原法、H₂和O₂直接合成法是生產(chǎn)H₂O₂的主要方法。然而，這些方法仍然存在能耗高、成本高、安全問(wèn)題嚴(yán)重等缺點(diǎn)。因此，人們一直致力于開(kāi)發(fā)環(huán)保和低成本的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的H₂O₂生產(chǎn)。光催化合成H₂O₂是一種很有潛力的綠色合成方法，它通過(guò)將光催化WOR和ORR結(jié)合在一起制備H₂O₂。目前，光催化合成H₂O₂反應(yīng)中廣泛使用的催化劑主要有無(wú)機(jī)半導(dǎo)體(如TiO₂、BiVO₄、CdS)、g-C₃N₄基光催化劑、有機(jī)聚合物和金屬-有機(jī)配合物。它們大多為復(fù)合材料，其非周期結(jié)構(gòu)使得揭示其構(gòu)效關(guān)系相對(duì)困難。相反，構(gòu)建具有明確周期結(jié)構(gòu)的催化劑可以解決這一問(wèn)題并建立準(zhǔn)確的構(gòu)效關(guān)系，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)和合成性能更高的催化劑。配位化合物是金屬離子/簇與有機(jī)配體自組裝形成的晶體材料。其金屬位點(diǎn)和非金屬位點(diǎn)(配體)分別可作為WOR和ORR的活性位點(diǎn)。通過(guò)兩者的直接配合可以縮短氧化位點(diǎn)與還原位點(diǎn)之間的空間距離，有利于提高光生電子與空穴的分離效率從而提高光催化H₂O₂合成的速率。其中，金屬有機(jī)籠(MOC)作為一種中空的多金屬簇，不僅可以通過(guò)金屬配位體實(shí)現(xiàn)上述金屬-非金屬活性位點(diǎn)之間的協(xié)同作用，而且可以包含多個(gè)金屬活性位點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，在MOC中，隨著其核數(shù)的增加，可以暴露更多的活性位點(diǎn)，這有利于提高催化活性。此外，它們具有獨(dú)特的空腔結(jié)構(gòu)，反應(yīng)分子通常可以很容易地進(jìn)入空腔。因此，反應(yīng)分子可以從腔內(nèi)和腔外同時(shí)攻擊催化活性位點(diǎn)，使反應(yīng)更加充分。更重要的是，它們具有明確的晶體結(jié)構(gòu)，有利于研究反應(yīng)機(jī)理和構(gòu)效關(guān)系，以及優(yōu)化和設(shè)計(jì)高效的光催化劑。

圖文導(dǎo)讀

圖1.?Co₁₄(L-H)₂₄的晶體結(jié)構(gòu)

用-CH₃基團(tuán)將HL-H配體的苯環(huán)功能化，得到了HL-CH₃配體。它們可以與鈷金屬離子結(jié)合形成鈷基金屬有機(jī)籠，Co₁₄?(L-H)?₂₄。對(duì)于Co₁₄(L-H)₂₄和Co₁₄(L-CH₃)₂₄，有機(jī)籠的腔徑分別約為6.61 ?和6.55 ?。如果Co1的水分子脫離，空腔的直徑分別增加到10.93 ?和10.88 ?(圖1d-e)。反應(yīng)分子如H₂O和O₂容易到達(dá)腔體。因此，它們可以從空腔內(nèi)外攻擊活性位點(diǎn)，有利于提高催化活性。

圖2. Co₁₄(L-H)₂₄和Co₁₄(LCH₃)₂₄的光學(xué)性質(zhì)表征

固態(tài)紫外、可見(jiàn)光和近紅外漫反射光譜表明Co₁₄(L-CH₃)₂具有更強(qiáng)的光吸收能力。結(jié)合肖特基測(cè)試結(jié)果證明了這些催化劑的LUMO位置比O₂/H₂O₂的氧化還原電位更負(fù)，它們的HOMO位置比H₂O/H₂O₂的氧化電位更正。因此，這兩種晶體都有可能作為ORR和WOR的光催化劑，促進(jìn)H₂O₂的生成。電化學(xué)阻抗譜, 光電流響應(yīng)，穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光以及熒光衰減測(cè)試表明CH₃-修飾的光催化劑表面具有更高的光生電荷密度，因此Co₁₄(L-CH₃)₂₄對(duì)ORR和WOR具有更高的光催化活性。

圖3. Co₁₄(L-H)₂₄和Co₁₄(L-CH₃)₂₄光合成過(guò)氧化氫的性能。

光催化生產(chǎn)H₂O₂的活性評(píng)估在O₂飽和的純水中進(jìn)行(UV/Vis-NIR (λ = 300-1100 nm))，未使用犧牲劑、光敏劑和pH調(diào)節(jié)。H₂O₂產(chǎn)率與反應(yīng)時(shí)間基本成線性關(guān)系。Co₁₄(L-H)₂₄和Co₁₄(LCH₃)₂₄在空氣中光合成H₂O₂的速率分別為74.27 μmol g^-1?h^-1和120.04 μmol g^-1?h^-1。三次循環(huán)試驗(yàn)后，光催化H₂O₂合成速率基本沒(méi)有變化。H₂O和O₂都是光催化合成H₂O₂的原料，并且WOR和ORR合成H₂O₂的原子利用率接近100%。

圖4. Co₁₄(L-H)₂₄和Co₁₄(L-CH₃)₂₄光合成過(guò)氧化氫的理論計(jì)算及反應(yīng)機(jī)理。

理論計(jì)算結(jié)果表明兩種光催化劑的咪唑位點(diǎn)均為H₂O氧化反應(yīng)的活性位點(diǎn)，O₂還原反應(yīng)的催化活性位點(diǎn)為Co位點(diǎn)。值得注意的是，Co2是完全配位的，Co1的兩個(gè)配位水分子很容易離開(kāi)形成活性位點(diǎn)，因此催化ORR的還原位點(diǎn)為Co1位點(diǎn)。在光照射下，光催化劑吸收光能產(chǎn)生光生電荷。光生電子遷移到Co位，使吸附在Co位上的O₂分子被還原，經(jīng)過(guò)質(zhì)子/電子反應(yīng)過(guò)程，逐漸生成*O₂^–, *OOH和*HOOH。同時(shí)，咪唑位點(diǎn)的C2?H通過(guò)氫鍵相互作用吸收和活化H₂O分子。然后，光生空穴轉(zhuǎn)移到咪唑位點(diǎn)，導(dǎo)致吸附在該位點(diǎn)的H₂O分子氧化，逐漸生成*OH和*HOOH。最后，*HOOH從Co和咪唑位點(diǎn)解吸得到H₂O₂。

總結(jié)展望

綜上所述，作者通過(guò)-CH₃基團(tuán)功能化配體制備了兩個(gè)穩(wěn)定的金屬有機(jī)籠，Co₁₄(L-H)₂₄和Co₁₄(L-CH₃)₂₄。它們可以作為雙功能光催化劑，同時(shí)催化H₂O氧化反應(yīng)和O₂還原反應(yīng)合成H₂O₂。由于-CH₃的配體修飾增加了光催化劑的吸光性，降低了光生電荷的重組效率，因此Co₁₄(L-CH₃)₂₄在純水中具有較高的H₂O₂催化活性。在O₂和空氣氣氛下，Co₁₄(L-CH₃)₂₄的H₂O₂生成速率分別為 146.60 μmol g^-1?h^-1和120.04 μmol g^-1?h^-1。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果證明Co位點(diǎn)和咪唑位點(diǎn)分別催化兩電子O₂還原反應(yīng)和兩電子的H₂O氧化反應(yīng)。本工作首次證明了金屬-有機(jī)籠作為光催化劑在H₂O₂合成領(lǐng)域的巨大潛力，并憑借其獨(dú)特的金屬非金屬活性位點(diǎn)協(xié)同催化作用，有效提高了光催化H₂O₂合成的性能。

文獻(xiàn)信息

Synergistic Metal-Nonmetal Active Sites in a Metal-Organic Cage for Efficient Photocatalytic Synthesis of Hydrogen Peroxide in Pure Water.?Angew. Chem. Int. Ed.?2023, e202308505.

https://doi.org/10.1002/anie.202308505

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