葉に着想を得た共有結合性有機構造体ヘテロ構造による高効率光触媒水素生成の開発

2026-05-22 中国科学院(CAS)

中国科学院上海有機化学研究所(SIOC)などの研究チームは、植物の葉の「茎‐葉肉」構造を模倣した共有結合性有機構造体(COF)の階層型ヘテロ構造を開発し、高効率な光触媒水素生成を実現した。研究では、同一モノマーから一次元(1D)COFと三次元(3D)COFをワンポット反応で同時形成する新手法を提案。生成した「1D@3DCOF-2」は、1D成分が白金ナノ粒子を高分散担持して還元反応点となり、3D成分が多孔質チャネルとして光吸収や物質輸送を担うことで、Sスキーム型ヘテロ接合による高効率な電荷分離を実現した。可視光照射下での水素発生速度は45.7 mmol g-1 h-1に達し、純水条件では337.8 mmol g-1 h-1、海水中でも50.8 mmol g-1 h-1を維持した。実験・計算解析から、1D/3D統合界面が電荷移動効率向上に重要であることも確認された。本成果は、人工光合成や太陽光利用型水素製造技術への応用が期待される。

葉に着想を得た共有結合性有機構造体ヘテロ構造による高効率光触媒水素生成の開発
Schematic diagram of 1DCOF-CN, 3DCOF-CN and the integrated leaf-inspired 1D@3DCOF-2 heterostructure assembled from the same monomers. Inspired by the hierarchical organization of leaves, the heterostructure integrates mass-transport and catalytic functions within an architecture. AA: Ascorbic acid, OX: Oxidation product. (Image by SIOC)

<関連情報>

光触媒作用のための階層的に統合された共有結合性有機骨格ヘテロ接合のワンポット合成 One-pot synthesis of hierarchically integrated covalent organic framework heterojunctions for photocatalysis

Wen-Zhuang Wang,Ya Lu,Chao Liu,Yubin Fu,Xin Zhao,Hong-Xin Xu,Fei Song,Jing-Yuan Ma,Yi-Xue Xu,Shun-Feng Li,Qiao-Yan Qi,Shun-Qi Xu & Xin Zhao
Nature Synthesis  Published:22 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s44160-026-01077-6

Abstract

Covalent organic frameworks (COFs) with crystalline networks and large surface areas provide an ideal platform to mimic natural structures for photosynthesis. However, it remains challenging to construct complex, multistate architectures using single-component COFs. Herein, inspired by leaf morphology, we demonstrate a one-pot synthesis for constructing a one-dimensional (1D) COF and a three-dimensional (3D) COF from identical binary monomers, yielding a hierarchically integrated COF heterostructure (1D@3DCOF-2). The 1D chains and 3D porous frameworks form in situ and are spatially integrated, forming a homogeneous S-scheme heterojunction that yields a built-in electric field for enhanced charge carrier dynamics. The hydrophilic 1D COF possesses excellent light-harvesting and Pt anchoring capacities, and the porous 3D COF ensures efficient mass transfer. With Pt as a cocatalyst, 1D@3DCOF-2 achieved an excellent hydrogen evolution rate (HER) of 45.7 mmol g−1 h−1 under visible light irradiation, surpassing that of the individual 3D COF (31.1 mmol g−1 h−1) and inactive 1D COF. Additionally, a higher rate up to 50.8 mmol g−1 h−1 was achieved in seawater. This work establishes a one-pot synthetic strategy for constructing multistage COFs towards nature-inspired high-performance heterostructures.

0502有機化学製品
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