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浙江工商大学&北得克萨斯州大学最新Angew: 限制β-酮烯胺键扭转提升光催化性能!

共价有机框架(COFs)通常由几何对称的连接体通过共价键形成。

2025年9月22日,浙江工商大学杜豪、王齐、Yangjie Fu、北得克萨斯州大学马胜前在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition发表《Asymmetric Diamine Synthesis for Covalent Organic Frameworks: Boosted Photocatalytic Performance by Restricting β-Ketoenamine Bond Twist》的研究论文,Lichao Wang、Dongge Ma为论文共同第一作者,杜豪、王齐、Yangjie Fu、马胜前为论文共同通讯作者。


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在本文中,作者采用一种不对称(C1h对称性)胺连接体(2, 6-二氨基苯并噻唑)进行非线性连接,合成了具有β-酮烯胺键的COFs(TpBa),由此发现了有趣的“角度诱导受限扭曲(AIRT)”效应。

与具有几何对称连接体的COFs(TpPa和TpDa)相比,TpBa中不对称胺部分的存在使构筑单元之间形成特定角度,减轻了β-酮烯胺键两侧空间位阻引起的分子平面扭曲,从而保留了平面π共轭体系。

尽管TpDa在电荷结构和分布方面更有利于分离与传输,但TpBa表现出更优异的H2O2产率,表明在特定条件下AIRT效应可能起主导作用。

本工作不仅拓宽了COFs连接体的选择范围,也为提升COFs的光催化性能提供了思路。


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图1:a)TpBa、TpPa和TpDa的制备过程示意图。TpBa(b)、TpPa(c)和TpDa(d)的实验X射线粉末衍射(PXRD)图谱与鲍利(Pawley)精修PXRD图谱。(C原子:灰色;N原子:蓝色;O原子:红色;S原子:黄色;H原子:粉色)。


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图2:a)TpBa、b)TpPa和c)TpDa的扫描电子显微镜(SEM)图像;d)TpBa、TpPa和TpDa的紫外-可见吸收光谱及塔乌图(插图)、e)荧光衰减光谱及光致发光(PL)光谱(插图)、f)飞秒时间分辨吸收光谱(fs-TAS)动力学轨迹图、g)实验能带排列图、h)光电流响应图和i)电化学阻抗谱(EIS)奈奎斯特图。
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图3:a)TpBa、TpPa和TpDa的电子-空穴分布图,b)Sr重叠积分,c)Chole-Cele,d)静电势(ESP)图;e)TpBa、TpPa和TpDa的偶极矩示意图,以及MPI、跃迁偶极矩(TDM)和极化率。
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图4:a)TpBa、b)TpPa和c)TpDa的分子间非共价相互作用(NCI)二维(2D)映射图;d)TpBa、TpPa和TpDa的定域化轨道定位函数-π(LOL-π)等值面。
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图5:a)TpBa、TpPa和TpDa在连接体不同扭转角下的结合能,b)体系总电子能,c)旋转势垒;d)在AIRT效应下,TpBa、TpPa和TpDa的不同扭转状态对电荷的影响。
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图6:a)TpBa、TpPa和TpDa的H2O2光催化生成性能(催化剂浓度Ccat.=50 mg/L,295 K,LED光源,空气氛围);b)TpBa在选定波长(410、450、490、520和650 nm)下的表观量子产率(AQY);c)不同捕获剂存在下TpBa、TpPa和TpDa的H2O2产率;d)TpBa、TpPa和TpDa的科捷列夫-列维奇图(Koutechy-Levich图,转速400–1600 rpm);e)氧气氛围下H2O2催化过程中采集的TpBa原位漫反射红外傅里叶变换光谱(in situ DRIFTS);f)TpBa、TpPa和TpDa通过间接2电子氧还原反应(2e- ORR)路径光催化合成H2O2的吉布斯自由能图。


综上,作者首次将C1h对称的苯并噻唑二胺引入β-酮烯胺COFs,提出“角度诱导限制扭转(AIRT)”新策略,有效抑制分子面扭曲并保持平面π共轭,实现光生电荷高效分离与迁移。

所得TpBa在可见光下产H2O2速率达808.8 µmol g-1 h-1,较传统线性COF提升约2倍,且具备宽光谱响应、高化学/循环稳定性及户外阳光应用潜力,为设计高性能、低成本、可规模化的COF光催化材料提供了新思路。


Asymmetric Diamine Synthesis for Covalent Organic Frameworks: Boosted Photocatalytic Performance by Restricting β-Ketoenamine Bond Twist. Angew. Chem. Int. Ed., 2025. https://doi.org/10.1002/anie.202518097.



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