新加坡国立大学 (NUS) 的化学家开发出了六价光催化共价有机框架 (COF)，它可以模拟自然光合作用，生产一种重要的工业化学品过氧化氢。

传统的过氧化氢生产方法是使用蒽醌作为催化剂，将空气和氢气转化为过氧化氢。然而，这一过程需要大量的能量、昂贵的贵金属催化剂、高压氢气和有害溶剂。过氧化氢的人工光合作用类似于自然光合作用过程，利用阳光作为能源，以丰富的水和空气作为原料，为传统的蒽醌工艺提供了一种可持续的、有前途的替代方案。然而，这种人工系统面临三个关键挑战：(1) 电荷载体生成不足和电荷快速复合，从而降低了效率;(2) 可用的催化位点数量有限，导致生产率低;(3) 缺乏向催化位点有效输送电荷和反应物，导致反应动力学缓慢。

由新加坡国立大学化学系的 Donglin JIANG 教授领导的研究团队构想出一种新策略，即通过系统设计 π 骨架和孔隙，开发出六价光催化 COF，以实现高效的光合作用。这些 COF 是由有机分子通过强共价键连接在一起而形成的多孔晶体材料。它们固有的灵活性使它们成为构建光催化剂的理想平台。研究人员创造了一种新型供体-受体骨架光催化剂，在辐射后，它们会转化为具有密集催化位点的催化支架，用于氧还原和水氧化。这些光催化剂具有空间隔离的供体和受体柱，用于空穴和电子分离，以防止电荷复合并实现快速电荷传输。此外，光催化 COF 的孔壁被设计成亲水性的，以促进水和溶解氧通过一维通道通过毛细管效应到达催化位点。

该研究成果于2024年5月17日发表在《自然合成》杂志上。

COF 仅使用水、空气和光即可作为光催化剂生产过氧化氢，其指标令人印象深刻：生产率为 7.2 mmol g –1 h –1，最佳表观量子产率为 18.0%，太阳能到化学转化效率为 0.91%(在浴槽反应器中)。集成到流动反应器后，它们可在环境条件下持续生产超过 15 升的纯过氧化氢溶液，并在两周内表现出运行稳定性。

江教授表示：“这项研究凝聚了我们在COF领域近年的共同努力，最终研发出新型光催化剂，有效解决了两个基本但艰巨的挑战：同时高效地将电荷和物质输送到催化位点。本文提出的突破标志着人工光合作用领域取得了令人瞩目和 性的进展。”