唯一通讯！他，博毕3年即吉大教授，现任东师院长/「国家杰青/长江特聘」，新发Angew！

成果简介

在有机基半导体材料上，利用地球上丰富的水和空气通过光合作用合成过氧化氢（H₂O₂），是替代传统蒽醌（AQ）方法的一种很有前途的方法。然而，有机半导体的一般疏水性导致其在水体系中的分散性差，阻碍了水基光催化中的光子捕获和反应物接触。

基于此，东北师范大学朱广山教授和陶鑫教授（共同通讯作者）等人报道了一种由环四噻吩（COTh）和AQ片段通过稳定的碳-碳键连接而成的新型多孔芳香框架（AQ-PAFs）光催化剂。在这种情况下，COTh和AQ片段分别作为电子供体（D）和受体（A）。这两部分在三维（3D）扩展π共轭中交替组合，有利于光激发下的电荷分离。

此外，COTh和AQ片段为氧还原反应（ORR）和水氧化反应（WOR）提供了丰富的活性位点，使这两种H₂O₂生成途径在该催化体系中有效耦合。值得注意的是，该AQ-PAF光催化剂高度亲水，在没有有机醇试剂的情况下可以在水中单分散。同时，AQ基团作为电子和质子介质的独特性质在动力学上有利于电荷分离和电子转移反应。在没有任何有机牺牲试剂的情况下，该AQ-PAF光催化剂在水中和露天环境中实现了7124 μmol g^-1 h^-1的H₂O₂产率，优于大多数报道的有机半导体光催化剂。此外，该光催化系统具有较高的稳定性，适合在流动反应器中连续190 h的H₂O₂光合作用。此外，所产生的H₂O₂在降解抗生素（如诺氟沙星）方面的潜在应用也被提出。

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相关工作以《Efficient Photosynthesis of Hydrogen Peroxide from Water and Air over Water-Dispersible Anthraquinone-Based Porous Aromatic Frameworks》为题发表在2025年3月16日的《Angewandte Chemie International Edition》上。

朱广山，东北师范大学化学学院教授、院长，国家杰青，长江学者特聘教授，“万人计划”中青年科技创新领军人才。1971年出生，1993年、1998年获得吉林大学学士和博士学位，随后留校工作，期间1999-2000年前往日本东北大学从事博士后研究，2001年晋升为教授，2017年至今担任院长。

朱广山教授的研究工作涉及吸附分离导向的多孔芳香骨架（PAFs）的设计合成及先进功能应用，多孔支撑膜的制备及其气体分离，金属有机框架材料的设计合成以及纳米孔材料药物传输体系等方面的研究。

图文解读

AQ在9位点和10位点具有两个羰基的融合三环芳香结构，可能是构建高效合成H₂O₂聚合物光催化剂的合适片段。具有可调光学带隙和能级的PAFs被发现是各种光催化转化的高效光催化剂。作者合成了一类基于AQ的多孔芳香框架（AQ-PAFs），其中AQ片段通过稳定的C-C键与不同的噻吩片段（噻吩（TT）、苯并三噻吩（BTT）和COTh）相连。它们是由AQ衍生的硼酯化合物（AQ-Bpin）与相应的溴取代噻吩衍生物通过著名的Suzuki-Miyaura交叉偶联反应合成的，分别命名为PAF-377、PAF-378和PAF-379。

图1.工业AQ法和光催化法合成H₂O₂的流程图

图2. AQ-PAFs的合成路线

PAF-377和PAF-378的水接触角分别为61°和45°，PAF-379具有超亲水性，可触发水分子的快速渗透。PAF-379的水蒸气吸收量最高（51.68 mL g^-1），远远高于PAF-377（11.64 mL g^-1）和PAF-378 (12.57 mL g^-1)。通过密度泛函理论（DFT）计算，作者预测了水在AQ-PAFs上的相互作用能。PAF-379的相互作用能为-35.64 kJ mol^-1，低于PAF-377（-31.41 kJ mol^-1）和PAF-378（-33.74 kJ mol^-1）。同时，PAF-379偶极矩也较大，为1.54 Debye，高于PAF-377（1.16 Debye）和PAF-378（1.35 Debye）。结果表明，PAF-379对水分子的亲和力最高。

此外，PAF-379在水中分布很好，浓度在20~400 μg mL^-1之间。值得注意的是，低浓度（20 μg mL^-1）PAF-379水悬浮液在164 nm范围内呈现稳定的单分散状态，Zeta电位为-34 mV。AQ-PAFs在水中的最佳分散性有利于聚合物表面的光收集和质量传输，从而共同提高整体光催化效率。

图3.形貌表征

图4.理论计算

在没有牺牲试剂下，PAF-377、PAF-378和PAF-379在水和空气中光催化H₂O₂的总产率分别约为1409、1748和7124 μmol g^-1 h^-1。在20 μg mL^-1浓度下，PPAF-379的最佳分散状态可以最大限度地使活性位点暴露于光和反应物中，对H₂O₂的整体光合作用效率达到最佳。在相同条件下，PCOTh和PAQ的光催化H₂O₂产率分别为3033 μmol g^-1 h ^-1和996 μmol g^-1 h^-1，远低于PAF-379，表明构建D-A型PAF基H₂O₂合成光催化剂的有效性。

在没有光或AQ-PAFs的情况下，H₂O₂的生成完全被抑制，突出了AQ-PAFs作为光催化剂的关键作用。在相似的条件下，作者研究了PAF-379在不同气氛下光催化生成H₂O₂的活性。纯O₂气氛下H₂O₂的生成速率（9535 μmol g^-1 h^-1）高于空气气氛下的生成速率（7124 μmol g^-1 h^-1）。值得注意的是，在O₂气氛下，加入乙醇作为牺牲剂后，H₂O₂产量明显增加（19830 μmol g^-1 h^-1）。结果表明，PAF-379光催化体系对水和空气中H₂O₂的生成是高效和稳定的。此外，在相似条件下，海水、河水和自来水的H₂O₂光合效率分别为4266、4149和4417 μmol g^-1 h^-1。在海水和空气中，PAF-379在14 h内获得了36.84 μmol H₂O₂的溶液。