山东大学化学与化工学院李培洲教授课题组在晶态多孔材料光催化领域取得新进展

近日，化学与化工学院李培洲教授课题组通过多组分反应设计构筑了一种独特的具有“供体-受体-π-受体-供体”(D-A-π-A-D)结构特征的共价有机框架(COFs）材料，并可作为甲苯的有氧氧化和醛的酰胺化反应的高效光催化剂。相关研究成果以“Donor-Acceptor-π-Acceptor-Donor-Type Photosensitive Covalent Organic Framework for Effective Photocatalytic Aerobic Oxidation”为题发表在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society(IF = 14.5，中科院1区)。论文的通讯作者为山东大学化学与化工学院教授李培洲和新加坡南洋理工大学教授赵彦利。山东大学化学与化工学院博士后栾天翔、山东大学访问学者/山东理工大学教授邢令宝为共同第一作者。山东大学为第一作者和通讯作者单位。

图1. (a) D-A、D-π-A和D-A-π-A-D结构示意图，(b) PyNTB-COF构筑及其D-A-π-A-D结构特征

开发用于氧化反应的高效光催化剂在化学合成中意义重大但具有挑战性。本研究通过将光敏性的三苯胺基结构单元(供体)与芘基结构单元(π共轭)通过原位形成的咪唑基团(受体)连接，构建了具有独特D-A-π-A-D结构的二维晶态COF，PyNTB-COF。结构表征显示其具有高结晶性、多孔性以及优异的热稳定性和化学稳定性。光电性能研究表明，PyNTB-COF具有窄带隙(2.04 eV)、宽可见光吸收范围及高效电荷分离能力，并且其D-A-π-A-D结构通过增强电子离域显著降低了电子-空穴复合率。EPR实验证实，该材料在可见光下可高选择性的生成超氧自由基(·O₂^–)，从而使其可作为光催化反应的高效催化剂。

山东大学化学与化工学院李培洲教授课题组在晶态多孔材料光催化领域取得新进展

图2. PyNTB-COF光催化两种有氧氧化反应的可能机理

鉴于PyNTB-COF优异的光电性能，本研究探索了其在多种光催化反应中的应用。结果显示，PyNTB-COF在甲苯氧化为苯甲酸和醛-胺酰胺化反应中均表现出高效的催化活性，且底物兼容性广(图2)。实验与理论计算表明，D-A-π-A-D结构是其性能优于传统D-A型COF的关键。该研究通过合理设计π共轭桥联D-A结构构筑了新颖的D-A-π-A-D结构，为开发高效光催化剂提供了新策略，拓展了COF在光催化有机合成中的应用潜力。

李培洲课题组主要从事“功能多孔材料合成及应用”方面的相关工作，主要集中于新型晶态框架多孔材料的设计合成及其在催化、能源与环境以及医药领域的应用，注重新结构的合成、以及物质构效关系方面的探索与应用研究。近年来，已在非均相光催化、质子传导、污染物吸附以及光动力治疗和生物纳米抗菌等领域取得重要进展，在光催化领域发表多篇研究性论文，如：(1)J. Am. Chem. Soc.2025,147, DOI: 10.1021/jacs.5c00750. (2)Angew. Chem. Int. Ed.2025,64, e202425668. (3)Nat. Commun. 2024,15, 1267. (4)ACS Cat. 2024,14, 2631. (5)Small 2023,19, 2303324. (6)ACS Nano 2022,16, 21565. (7)ACS Mater. Lett. 2022,4, 1160. (8)ACS Appl. Mater. Interfaces 2022,14, 23518. (9)ACS Appl. Mater. Interfaces 2021,13, 20137。