摘要
H_(2)O_(2)is an environmentally friendly oxidant and a promising energy-containing molecule widely applied in industrial production,environmental remediation,and as a potential carrier for energy storage.Solar-driven conversion of earth-abundant H_(2)O and O_(2)is the most ideal method for producing H_(2)O_(2).Due to poor separation of photogenerated charge carriers in semiconductors,sacrificial reagents such as ethanol are typically added to consume photogenerated holes,but this is not an energy storage process.Therefore,developing efficient photocatalysts for direct H_(2)O_(2)production from H_(2)O and O_(2)without sacrificial agents is crucial for sustainable energy conversion.Organic framework materials,due to their customizable structures,have gained traction in the photosynthesis of H_(2)O_(2)from pure H_(2)O and O_(2).A series of functionalized molecules have been introduced as building blocks into organic frameworks to enhance the H_(2)O_(2)production performance,but their key roles in performance and reaction pathways have not been summarized in detail so far.This review aims to address this gap and elucidate the relationship between the structure and performance of organic framework photocatalysts,providing insights and guidance for the development of efficient photocatalysts.
过氧化氢(H_(2)O_(2))作为一种环境友好型氧化剂,广泛应用于工业生产、环境保护和医疗卫生等领域.传统工业合成H_(2)O_(2)的方法主要通过蒽醌法,但该方法能耗高且环境污染严重.太阳能驱动下的以水和氧气为原料的路线被认为是一种合成H_(2)O_(2)的理想方法.由于半导体中光生电荷载流子分离效率较差,通常需要添加乙醇等牺牲试剂以消耗光生空穴,但这不是一个能量存储过程.因此,开发能够在无需牺牲剂条件下,直接从纯水和氧气中高效生产H_(2)O_(2)的光催化剂,对于实现可持续能源转换至关重要.有机框架材料凭借其可调控的结构特性,在纯水体系下的H_(2)O_(2)光合成领域被广泛关注.系统地总结有机框架光催化剂在H_(2)O_(2)合成领域的最新研究进展,对于推动该领域的发展具有重要价值.本文系统总结了有机框架光催化剂在纯水体系下合成H_(2)O_(2)的最新研究进展,重点关注有机框架的功能单体在优化光电性能及活化氧气和水分子方面的关键作用.首先,简要介绍了评估光催化合成H_(2)O_(2)性能的关键参数.然后,简要阐述了光催化合成H_(2)O_(2)的反应机理,并介绍了探究这些机理所需的表征技术和理论方法.其后,总结了有机框架光催化剂的设计原则和关键策略,包括增强光吸收与利用、提高电荷载流子的分离与迁移效率以及优化表面氧化还原反应动力学,并概述了这些光催化剂的主要合成方法.在此基础上,深入分析了有机框架材料的骨架结构,探讨了不同功能基团(含氧官能团、含氮官能团、含硫官能团等)在构建有机框架光催化剂中的作用,以及它们如何影响光催化反应路径、活性位点的形成和催化性能.最后,简要总结了有机框架光催化剂在纯水系统中合成H_(2)O_(2)所面临的挑战与未来的发展方向:(1)尽管有机框架材料的设计空间巨大,但能够驱动氧还原或水氧化反应的官能团种类相对有限.开发新的功能基团和探索新的合成方法是开发有效有机框架光催化剂的关键.(2)目前功能基团的选择仍然缺乏系统的设计方法,利用理论计算和机器学习技术预测有机框架的带边位置和光电性质,有助于揭示不同构建块之间的相互作用,并加快材料设计过程.(3)为了推进有机框架光催化剂的合理设计,获得更直接的实验表征以分析有机框架光催化剂的精确结构和组成,并深入理解它们的结构-性能关系.因此,综合运用和发展原位表征技术将有助于设计更高效的催化剂.(4)一方面,应探索更经济、适宜大规模制备的有机框架光催化剂构建策略;另一方面,可以将光催化技术与其他技术相结合,以满足H_(2)O_(2)大规模工业化生产的需求.综上,本综述全面梳理了有机框架光催化剂在纯水系统下光催化合成H_(2)O_(2)领域的研究进展、设计策略以及面临的挑战和未来的发展机遇,希望能够为科研人员提供创新的思考方向,进而为高效有机框架光催化剂的设计和应用提供参考.
基金
国家重点研发计划(2023YFA1506300)
国家自然科学基金(22072054,21972053,22161132009)
吉林省科技发展计划(20230101050JC)
吉林省教育厅科研项目(JJKH20231126KJ)
无机合成与制备化学国家重点实验室开放项目(2024-4).
