通訊作者：張建明，江蘇大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院；武曉君，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心

作者：Yangyang Wan (萬陽陽), Jiaojiao Zhang (張嬌嬌), Dayong Wang (王大勇), Pengting Sun (孫澎庭), Lebin Shi (施樂彬), Shun Li (李順), Jianming Zhang (張建明), Xiaohong Yan (顏曉紅), and Xiaojun Wu (武曉君)

近年來，由于二維（2D）共價有機框架（COFs）材料豐富的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)可調(diào)性，它們在光解水應(yīng)用方面引起了廣泛的關(guān)注。然而，至今為止，有關(guān)利用2D COF在可見光下進行整體水分解（同時產(chǎn)氫和產(chǎn)氧）的報道仍然非常有限。盡管存在著大量潛在的COF材料，其豐富多樣的有機結(jié)構(gòu)單元為構(gòu)建全光解水催化劑提供了無限的潛力，但如何從這龐大的材料庫中找到理想的候選材料仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

圖1. 數(shù)據(jù)驅(qū)動發(fā)現(xiàn)2D COF全光解水催化劑流程圖。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)武曉君教授和江蘇大學(xué)張建明教授在?JPC Letters?上發(fā)表了一項采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法發(fā)現(xiàn)2D COF全光解水催化劑的研究。研究團隊使用高通量理論計算方法，從CoRE COF數(shù)據(jù)庫中挑選出了7種潛在的2D COF全光解水催化劑。隨后，研究人員通過實驗證實了它們具備全光解水的催化活性。

圖2. 高通量理論計算構(gòu)建2D COF材料數(shù)據(jù)庫。

本文利用高通量理論計算，建立了一個包括帶隙、能級位置、表面催化活性等信息的2D COF性質(zhì)數(shù)據(jù)庫。通過對COFs在水中的穩(wěn)定性、帶隙、VBM/CBM能級位置以及其析氫和析氧表面活性進行評估，篩選出了7種候選材料（其中一種已被報道）。

圖3.COFs光解水性能測試。

隨后，研究人員合成了COF材料并測試了它們的光催化活性。首先，所有的COFs在純水中都表現(xiàn)出可見光全解水性能，5小時內(nèi)的氫氣產(chǎn)量約為10~30 μmol×g?1（圖3b）。在測試的COFs中，COF-486表現(xiàn)出了最佳的光解水活性。如圖5d所示，在純水中COF-486分別實現(xiàn)了約6.0和2.4 μmol×g?1h?1的氫氣和氧氣產(chǎn)率。引入3%wt的Pt后，其氫氣和氧氣的產(chǎn)率提高到80和32 μmol×g?1h?1。對于負載7%wt Pt的HER半反應(yīng)，COF-486的氫氣產(chǎn)率達到2.25 mmol×g?1h?1（圖3c）。此外，研究人員還觀察到COF-519能夠通過兩電子途徑進行全解水，其中H?O?是主要的氧化產(chǎn)物。

這項工作代表了一種嘗試，即通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法探索可見光驅(qū)動的2D COF全光解水催化劑。該方法可以加速相關(guān)多孔材料（COF、MOF等）全光解水催化劑的發(fā)現(xiàn)和設(shè)計。?

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相關(guān)論文發(fā)表在?JPC Letters?上，江蘇大學(xué)青年特聘教授萬陽陽為文章的第一作者，江蘇大學(xué)張建明教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)武曉君教授為通訊作者。

武曉君教授?

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，教育部長江學(xué)者獎勵計劃青年學(xué)者，國家高層次人才特殊支持計劃青年拔尖人才入選者。研究方向為計算材料學(xué)，主要基于第一性原理電子結(jié)構(gòu)計算方法與多尺度模擬方法，理論表征低維功能材料的結(jié)構(gòu)與性能，設(shè)計新型功能材料。近年來，以材料的理論設(shè)計與模擬為基礎(chǔ)，與實驗研究者緊密結(jié)合，通過多學(xué)科交叉研究實現(xiàn)對材料物理化學(xué)特性的探索，進一步設(shè)計材料，為相關(guān)實驗研究提供理論指導(dǎo)。截止2023年4月，已在包括Science, Nat. Chem., PNAS, J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Comm., Nano Lett., ACS Nano?等期刊上發(fā)表SCI收錄論文320余篇，被引用22000余次，H-index 85。?

武曉君教授主頁 http://staff.ustc.edu.cn/~xjwu?

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張建明教授?

江蘇大學(xué)教授、江蘇特聘教授，博士生導(dǎo)師。2013年畢業(yè)于加拿大國立科學(xué)研究學(xué)院(INRS)能源、通訊與材料研究中心，獲博士學(xué)位。2013年至2016年在加拿大魁北克大學(xué)蒙特利爾分校從事博士后研究。近年來在ACS Nano, Chem. Mate., Appl. Catal. B, ACS Appl. Mater. Interfaces, Chem. Commun.等化學(xué)、材料類期刊發(fā)表論文80篇，主持多項科技部和基金委項目。?

張建明教授主頁 https://chem.ujs.edu.cn/info/1246/8470.htm