受益于实际可及的催化位点和多孔结构增强的质量输运，二维共价有机框架(COFs)，例如二维羰基桥联三苯胺(CTPA)在光催化整体水分解(OWS)方面表现出巨大潜力。然而，初始的CTPA在这种应用中的性能仍然不理想，主要是由于对精确带对齐的严格要求、HER和OER中过电位带来的限制，以及两个半反应之间的相互干扰。最近有研究人员提出，将供体-受体(D-A)对整合到基于CTPA的框架中可以精确调整COF的带隙和带边位置，以满足特定的光催化要求。
近日，西南交通大学王红艳、陈元正和吉林大学白福全等通过以下方式系统地验证了这一策略：i) 筛选构建D-A对的组分，ii) 评估D-A对的电子结构，iii) 验证二维CTPA COF (CCF)的稳定性，iv) 评估二维CCF的电子结构、光催化活性和效率。论文第一作者为西南交通大学在读博士生陈娇。
具体而言，研究人员选择了六种分子单体(BE、TA、TPTA、HA、TPA和TPBE)形成三种类型的D-A对，这些D-A对表现出重新分布的HOMO和LUMO能级和空间分离的分布，促进了分子间电荷转移。通过在NVT和NPT集成上分别计算弹性模量、声子谱和AIMD模拟，证实了二维CCFs的力学、动力学和热稳定性。
计算得到的平均反应能(ER)为基于Ullman型偶联反应机制的实验合成可能性提供了进一步的证据。带结构计算表明，这六种二维CCFs具有2.31至3.15 eV的带隙，带边与水的氧化还原电位很好地匹配。并且，BE、TA、TPTA、HA和TPBE的引入增加了CBM的能量位置。
Bader电荷分析显示，在这些二维CCFs中，从供体到受体存在显著的电荷转移(0.06至0.48 e)。在最小重复单元中的电荷转移激发跃迁表明在电子激发过程中存在有效的载流子分离，其中CTPA-TPA在六种CCFs中表现出最高的电子转移(0.66 e)和最大的DCT (5.85 Å)。这六种二维D-A CCFs在可见光区域的光吸收系数(OAC)也很高，其中CTPA-TPA的最大吸收边长为610 nm。PDOS分析和热力学计算确定了二维CCFs表面上HER (O原子)和OER (C1原子)的活性位点的共存。
自由能计算证实，在pH=0和pH=7的可见光照射下，二维 CCFs 表面上存在自发的HER和OER，没有过电位。此外，计算了理论上的太阳能-氢气(STH)转化效率，其中CTPA-TPA的效率最高(18.6%)，突出了其优异的光催化性能。综上，该项研究证明了引入D-A对是增强二维CCFs光催化剂的有效策略。
Design of donor-acceptor type 2D covalent organic frameworks as efficient photocatalysts for visible-light-driven water splitting. Advanced Functional Materials, 2025. DOI: 10.1002/adfm.202505453
王红艳，西南交通大学物理科学与技术学院教授、博士生导师。1992年毕业于复旦大学物理二系，1999年获得四川大学原子分子物理专业博士学位，2004年10月至2006年10月在美国佐治亚大学做访问学者， 2007年入选教育部新世纪优秀人才资助计划，2008年入选四川省杰出青年学科带头人资助计划，2009年入选四川省学术和技术带头人后备人选，2010年度获四川省有突出贡献优秀专家称号,2012年入选四川省学术带头人,2013年入选第十批四川省学术和技术带头人。先后在国际权威期刊JACS、J. Chem. Phys.、Inorg. Chem.、Organometallics等上发表学术论文140余篇，其中被SCI收录论文80篇。
陈元正，博士，副教授，硕士/博士生导师，校雏鹰学者。2014年于吉林大学超硬材料国家重点实验室获得博士学位，同年度作为引进人才加入西南交大物理科学与技术学院。2019-2020年在美国加州州立大学-北京计算科学研究中心开展联合博士后研究，2021年度在新加坡国立大学进行学术访问交流。主要从事新型功能材料(如超硬超导材料、光电能源材料、电池电极材料等)结构设计及其器件应用研究，在国际顶级期刊Nano Lett.、J. Mater. Chem. A.、ACS Mater. Lett.、J. Phys. Chem. Lett.、Nanoscale Horiz.、ACS Apply. Mater. Interfaces、Apply. Mater. Today、Phys. Rev. B 等上发表SCI论文60余篇，论文被引用1500余次，h-index=22，i10-index=60。
白福全，博士，教授，博士生导师。2004年和2009年获得吉林大学学士和博士学位。博士毕业后留校任教。2012-2013年在日本京都大学福井谦一纪念研究中心完成博士后合作研究，2016-2017年在 香港科技大学化学系完成博士后合作研究。2018年至今为吉林大学化学学院、理论化学研究所教授和博士生导师。近年来，开展了一系列关于光功能材料和催化反应相关机理等领域的科研工作，发表SCI论文200余篇，主要关注新型光电转换材料体系中的载流子行为、利用效率和激发态寿命等基础研究，表界面活性评价及复杂条件建模及计算相关内容。