Vật liệu khung hữu cơ cộng hóa trị mới tăng tốc sản xuất nhiên liệu mặt trời bởi Science China Press

Vật liệu khung hữu cơ cộng hóa trị mới tăng tốc sản xuất nhiên liệu mặt trời bởi Science China Press

    Vật liệu khung hữu cơ cộng hóa trị mới tăng tốc sản xuất nhiên liệu mặt trời
    bởi Science China Press

    New covalent organic framework material accelerates the solar fuel generation
    (a) Sơ đồ quy trình tổng hợp đối với COF-BBT, phần trong minh họa sản phẩm dạng bột từ một mẻ phản ứng duy nhất; (b) các mẫu XRD thử nghiệm và mô phỏng của COF-BBT cùng với kết quả tinh chế Rietveld của nó; (c) sơ đồ cấu trúc của COF-BBT nhìn từ phía trên và bên cạnh. Ảnh: Science China Press


    Khung hữu cơ cộng hóa trị hai chiều (2D COF) là một loại chất bán dẫn hữu cơ mới và gần đây đã chứng tỏ tiềm năng to lớn trong sản xuất nhiên liệu mặt trời. Chúng thường được hình thành từ sự xếp chồng π-π có trật tự của các lớp phân tử, và thường sở hữu các mảng π cột tuần hoàn có thể tạo điều kiện thuận lợi cho sự chuyển giao điện tích giữa các lớp.

    Hơn nữa, việc lắp ráp theo thứ tự các đơn vị xây dựng hữu cơ trong 2D COF cũng làm phát sinh các kênh vi mô / trung gian một chiều (1D) có thể thúc đẩy vận chuyển khối lượng lớn và phơi bày các vị trí phản ứng. Mặc dù có lợi thế lớn về cấu trúc, COF 2D thường có hoạt động thấp so với các đối thủ cạnh tranh vô cơ của chúng.

    Điều này chủ yếu là do năng lượng liên kết lớn của các quang tử trong các chất hữu cơ và do đó sự phân ly exciton có vấn đề. Ngoài ra, bản chất kỵ nước của xương sống thơm liên hợp π của chúng thường khiến độ xốp bên trong lớn của chúng không thể tiếp cận được với nước. Để phát huy hết tiềm năng của COF 2D, các sửa đổi tổng hợp và cấu trúc do đó mong muốn để thúc đẩy sự kết tinh cấu trúc và khả năng thấm ướt của chúng.

    Gần đây, Giáo sư Yanguang Li từ Đại học Soochow và các cộng sự đã báo cáo một khung hữu cơ cộng hóa trị dựa trên benzobisthiazole (COF-BBT). Chất xúc tác thể hiện tốc độ phát triển hydro quang xúc tác tuyệt vời cao tới 48,7 mmol h-1 g-1 khi có mặt axit ascorbic như là chất cho điện tử hy sinh — một trong những giá trị cao nhất từng được báo cáo cho chất xúc tác quang dựa trên COF. Người ta nhận thấy rằng các đơn vị benzobisthiazole (BBT) có ảnh hưởng sâu sắc đến đặc tính điện tử và hiệu suất xúc tác của nó.

    Mặt khác, các nhóm BBT có cấu hình phân tử phẳng cứng nhắc, và được cho là thúc đẩy sự kết tinh cấu trúc thông qua tương tác π-π giữa các khối thơm riêng lẻ. Việc xếp chồng có thứ tự các đơn vị π như vậy không chỉ tăng cường sự phân chia các electron giữa các lớp mà còn cung cấp các kênh cần thiết cho sự di chuyển của các điện tích quang tạo lên bề mặt.

    Giả thuyết này đã được chứng thực bởi một loạt các phép đo quang phổ. Phân tích bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) lần đầu tiên chứng thực tính kết tinh cấu trúc cao của COF-BBT. Có thể quan sát rõ ràng các kênh mê hoặc 1D của nó và sự sắp xếp hình lục giác của chúng.

    Phân tích vật lý cho thấy COF-BBT tinh thể có phát xạ huỳnh quang yếu hơn và thời gian tồn tại ở trạng thái kích thích dài hơn so với chất vô định hình có cùng cấu trúc hóa học, cho thấy rằng sự tái kết hợp điện tích đã bị triệt tiêu trong COF-BBT.

    Mặt khác, BBT là một dị vòng thơm giàu nitơ và lưu huỳnh (> 50% trọng lượng). Sự ra đời của các đơn vị BBT sẽ làm tăng tính phân cực của cấu trúc và do đó nâng cao ái lực với nước của COF-BBT. Điều này đã được xác nhận bởi góc tiếp xúc với nước nhỏ hơn nhiều (21 °) và khả năng hấp thụ hơi nước lớn hơn khi so sánh với một mẫu không có bất kỳ dị nguyên tử nào. Cả độ kết tinh tăng lên và khả năng thấm ướt của nước đều góp phần chung vào hiệu suất xúc tác quang tuyệt vời của COF-BBT.

    Đối với các ứng dụng thực tế, các tác giả đã chứng minh rằng COF-BBT có thể trực tiếp phát triển trên bọt melamine vĩ mô bằng cách trùng hợp tại chỗ. Hợp chất thu được không chỉ cho phép sản xuất hydro ổn định mà còn có thể được lấy ra một cách đơn giản bằng cách lấy bọt ra khỏi dung dịch. Hơn nữa, các tác giả cũng chứng minh rằng sản xuất hydro quang xúc tác có thể đi đôi với quá trình oxy hóa rượu furfuryl thành 2-furaldehyde ở phép đo phân lớp.

    Nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí Khoa học Quốc gia.

    Zalo
    Hotline