大连理工大学王忠刚Angew：基于三联吡啶和四联吡啶的阳离子共价有机框架用于可见光催化H2O2合成

作者：X-MOL     2025-03-02

过氧化氢(H2O2)是一种清洁绿色的氧化剂，广泛应用于化工合成、造纸、印染纺织、污水处理、医疗卫生等领域。蒽醌氧化法是目前工业生产H2O2的主要方法，但该生产工艺需使用大量有机溶剂，能量大，且产生对环境有害的污染物。作为潜在的可替代方法，光催化法可利用绿色清洁的太阳能，以空气和水为原料直接合成H2O2，因其反应条件温和且节能环保等优点而受到广泛关注。

近日，大连理工大学王忠刚教授团队设计合成了三种基于三联吡啶和四联吡啶的三醛单体，将其分别与三甲基溴化吡啶通过克劳文格尔缩合反应，成功制备了三种阳离子基团位置和数量精确定义的多吡啶共价有机框架(iTPy-COF、iTPPy-COF、iQPPy-COF)，系统研究了基于三联吡啶和四联吡啶阳离子COFs光催化合成H2O2的性能及与结构间关系。

图1. 基于三联吡啶和四联吡啶的阳离子共价有机框架化学结构

该研究创新性在COFs框架中同时引入多吡啶单元和带正电的吡啶嗡单元，将其分别作为2e-氧还原反应（2e-ORR）和2e-水氧化反应（2e-WOR）的活性位点，实现了双通道光催化合成H2O2。通过改变单体的共轭结构精准调节骨架中吡啶环与吡啶嗡阳离子的含量和空间位置，优化提高了光催化效率。

图2. iTPy-COF、iTPPy-COF、iQPPy-COF的光催化性能

研究了三种COFs在不同气氛下光催化H2O2的合成速率，其中以iTPPy-COF催化效率最高。无需添加任何牺牲剂, 以纯水为反应介质，在氧气和空气气氛中，iTPPy-COF催化合成H2O2的反应速率分别高达7955 μmol g-1 h-1和6249 μmol g-1 h-1。值得注意的是iTPPy-COF在空气氛围光催化H2O2生成速率超过绝大多数报道的同类催化剂。

图3. iTPy-COF，iTPPy-COF，iQPPy-COF 的光催化机理

该工作基于结构分析、系列对比实验、电化学测试、原位红外光谱以及DFT理论计算等手段，研究了基于三联吡啶和四联吡啶的阳离子COFs光催化机理，从电子结构变化角度讨论了结构-性能关系，为今后开发设计高性能COFs光催化剂提供了一个新思路。

该研究成果发表在近期出版的Angewandte Chemie International Edition 上，大连理工大学博士研究生章俊和薛菲是论文第一作者，通讯作者为大连理工大学化工学院王忠刚教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Terpyridine- and Quarterpyridine-Based Cationic Covalent Organic Frameworks for Visible-Light-Catalytic H2O2 Synthesis

Jun Zhang, Fei Xue, and Zhonggang Wang*

Angew. Chem. Int. Ed. 2025, DOI: 10.1002/anie.202425617

王忠刚教授简介

王忠刚，教授/博士生导师。1989年毕业于吉林大学，获理学学士学位，1995年毕业于中科院长春应用化学研究所，获理学博士学位。先后在北京大学化学与分子工程学院，中国科学院化学研究所，日本旭化成中央基础研究所，德国GKSS国家研究中心和德累斯顿高分子研究所做研究工作，2004年回国在大连理工大学化工学院高分子材料系工作至今。研究领域包括：(1) 多孔有机聚合物合成方法学研究，(2) 自清洁含氟高分子材料及含氟医药中间体的制备研究，(3) 稀土配位的高耐热聚合物发光薄膜材料，(4) 集成电路和LED封装用脂环族环氧树脂，(5) 高性能基体树脂的合成及性能研究。至今已在 Angew. Chem. Int. Ed., ACS Catal., Small, Macromolecules, Biomacromolecules, Chem. Mater., J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. interfaces等期刊发表SCI论文150余篇, 获授权中国发明专利证书28项。主持承担了包括8项国家自然科学基金的国家及省部级科研项目，合作撰写专著4部(章)。2006年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。

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