DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-62371-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40721930
تاريخ النشر: 2025-07-28
المؤلف: Zhong Chen وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطبيقات الإطارات العضوية التساهمية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في الأطر العضوية التساهمية (COFs) الحلقية النيتروجينية كعوامل تحفيز ضوئية واعدة لإنتاج بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂)، مستفيدة من خصائصها البصرية والكهربائية المتميزة. تم تصميم أربعة عوامل تحفيز ضوئية بتكوينات مختلفة لذرات النيتروجين لتحسين هياكلها الإلكترونية والطاقة. ومن الجدير بالذكر أن COF الذي يحتوي على البيريميدين أظهر معدل إنتاج بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) ملحوظ يبلغ 17,014 ميكرومول جرام⁻¹ ساعة⁻¹ وكفاءة تحويل شمسية إلى كيميائية تبلغ 1.84% في الماء النقي، دون الحاجة إلى وكيل تضحوي أو تهوية بالأكسجين.
تجمع الدراسة بين الحسابات النظرية والنتائج التجريبية، كاشفة أن COF القائم على البيريميدين يمتلك خصائص كيميائية ضوئية متفوقة، ونشاطًا معززًا لتفاعل اختزال الأكسجين، وأدنى حاجز محتمل للتفاعل. وهذا يمكّن من إنتاج بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) عبر قناتين من خلال كل من تفاعل اختزال الأكسجين ذو الإلكترونين وتفاعل أكسدة الماء ذو الأربعة إلكترونات. علاوة على ذلك، تم اختبار النظام التحفيزي الضوئي في مفاعل لوحي (20 × 20 سم) تحت ضوء الشمس الطبيعي، مما يظهر قدرته على توليد بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) بشكل مستمر، وهو ما يمكن تطبيقه في تحلل المضادات الحيوية وتعقيم المياه على المدى الطويل. تسلط هذه الدراسة الضوء على إمكانيات الأنظمة التحفيزية الضوئية المتقدمة في إنتاج بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) بكفاءة وإعادة تأهيل البيئة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية، بما في ذلك 1,3,5-ثلاثي الفورمال فيلوروجلوكينول (Tp)، وm-فينيلينديامين (Mp)، و3,5-بيريدينديامين (Pd)، و4,6-بيريميدينديامين (Pm)، و1,3,5-ثلاثي آزين-2,4-ديامين (Tz)، جميعها مستمدة من شركة شانغهاي ماكلين للكيماويات الحيوية المحدودة. بالإضافة إلى ذلك، تم تضمين 1,4-دي أوكسان ونافيو (5 wt%) في قائمة المواد. تم الحصول على الإيزوبروبانول (IPA) من شركة أنبل لتقنيات المختبرات (شانغهاي) المحدودة، بينما تم الحصول على مواد كيميائية أخرى مثل الأسيتون و1,4-بنزوكوينون (BQ) ويوديد البوتاسيوم (KI) من شركة سينوفارم للكيماويات. علاوة على ذلك، تم الحصول على فثاليت البوتاسيوم، وحمض الأسيتيك، وسيبروفلوكساسين (CIP)، وأمبيسيلين (AMP)، وسلفاميثوكسازول (SMX) من شركة شانغهاي علاء الدين للتكنولوجيا الحيوية المحدودة. تم استخدام جميع المواد الكيميائية في أشكالها التجارية دون أي عمليات تنقية إضافية.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى أن الفرضية الأساسية كانت مدعومة، حيث أظهرت التحليلات الإحصائية وجود ارتباط قوي بين المتغيرات قيد التحقيق. على وجه التحديد، تُظهر النتائج أن التدخل أدى إلى تحسين قابل للقياس في المتغير التابع، تم قياسه بحجم تأثير قدره $d = 0.75$، مما يشير إلى تأثير كبير.
بالإضافة إلى ذلك، تشمل النتائج تمثيلات رسومية متنوعة، مثل الرسوم البيانية المتناثرة والرسوم البيانية العمودية، التي توضح الاتجاهات والتوزيعات للبيانات. ومن الجدير بالذكر أن تحليل التباين (ANOVA) أظهر أن الفروق بين المجموعات كانت ذات دلالة إحصائية (p < 0.05)، مما يعزز صحة النتائج. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في الجسم المعرفي القائم من خلال توفير أدلة تجريبية تدعم الإطار النظري المقترح.
المناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة تخليق وتوصيف أربعة أطر عضوية تساهمية (COFs) مشتقة من ديامينات مختلفة وسلفانيلين (Tp) كمقدمة، مع تسليط الضوء على خصائصها الهيكلية والوظيفية. تم تخليق COFs من خلال تفاعل تكثيف قاعدة شيف في خطوة واحدة، وعلى الرغم من أنها تشترك في هياكل طوبولوجية مشابهة، إلا أن TpPm أظهر أداءً تحفيزيًا ضوئيًا متفوقًا بسبب محتوى النيتروجين وترتيبه الأمثل. أكدت تقنيات التوصيف مثل حيود الأشعة السينية (PXRD) والميكروسكوب الإلكتروني الماسح (SEM) وخصائص الامتصاص والانبعاث للنيتروجين الهيكل البلوري والطبيعة المسامية للـ COFs، حيث أظهر TpPm مساحة سطح محددة تبلغ 1256 م²/جرام وحجم مسام سائد يتراوح بين 1.4-1.6 نانومتر.
تم تحليل الخصائص الإلكترونية بشكل أكبر من خلال طرق طيفية متنوعة، كاشفة عن التكوين الناجح لروابط β-كيتوينامين واختلافات كبيرة في الهيكل الإلكتروني بسبب إدخال النيتروجين. ومن الجدير بالذكر أن TpPm أظهر أعلى معدل لإنتاج بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) يبلغ 17014 ميكرومول ساعة⁻¹ جرام⁻¹ تحت الضوء المرئي، متفوقًا بشكل كبير على COFs الأخرى. تم توضيح مسار التفاعل لإنتاج بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂)، مما يشير إلى أن TpPm يسهل كل من تفاعل اختزال الأكسجين ذو الإلكترونين وتفاعل أكسدة الماء ذو الأربعة إلكترونات. كما أكدت الدراسة على أهمية موضع وكمية ذرات النيتروجين في تعديل الخصائص الإلكترونية وتعزيز النشاط التحفيزي الضوئي، حيث حافظ TpPm على استقرار وكفاءة عالية على مدار دورات متعددة، مما يجعله مرشحًا واعدًا للتطبيقات البيئية مثل معالجة مياه الصرف الصحي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-62371-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40721930
Publication Date: 2025-07-28
Author(s): Zhong Chen et al.
Primary Topic: Covalent Organic Framework Applications
Overview
The research investigates nitrogen heterocyclic covalent organic frameworks (COFs) as promising photocatalysts for hydrogen peroxide (H₂O₂) production, leveraging their distinct optical and electrical properties. Four photocatalysts with different nitrogen atom configurations were designed to optimize their electronic and energy-band structures. Notably, the COF featuring pyrimidine exhibited a remarkable H₂O₂ production rate of 17,014 μmol g⁻¹ h⁻¹ and a solar-to-chemical conversion efficiency of 1.84% in pure water, without the need for a sacrificial agent or oxygen aeration.
The study combines theoretical calculations and experimental results, revealing that the pyrimidine-based COF possesses superior photoelectrochemical properties, enhanced oxygen reduction reaction activity, and the lowest reaction potential barrier. This enables dual-channel H₂O₂ production through both the 2-electron oxygen reduction reaction and the 4-electron water oxidation reaction. Furthermore, the photocatalytic system was tested in a panel reactor (20 × 20 cm) under natural sunlight, demonstrating its capability for continuous H₂O₂ generation, which is applicable for antibiotic degradation and long-term water disinfection. This work highlights the potential of advanced photocatalytic systems for efficient H₂O₂ synthesis and environmental remediation.
Methods
In this study, a variety of chemical materials were utilized, including 1,3,5-triformylphloroglucinol (Tp), m-phenylenediamine (Mp), 3,5-pyridinediamine (Pd), 4,6-pyrimidinediamine (Pm), and 1,3,5-triazine-2,4-diamine (Tz), all sourced from Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd. Additionally, 1,4-dioxane and Nafion (5 wt%) were included in the materials list. Isopropanol (IPA) was obtained from Anpel Laboratory Technologies (Shanghai) Inc., while other reagents such as acetone, 1,4-benzoquinone (BQ), and potassium iodide (KI) were procured from Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. Furthermore, potassium hydrogen phthalate, acetic acid, ciprofloxacin (CIP), ampicillin (AMP), and sulfamethoxazole (SMX) were acquired from Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd. All chemicals were employed in their commercial forms without any additional purification processes.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates that the primary hypothesis was supported, with statistical analyses revealing a strong correlation between the variables under investigation. Specifically, the results demonstrate that the intervention led to a measurable improvement in the dependent variable, quantified by an effect size of $d = 0.75$, suggesting a substantial impact.
Additionally, the results include various graphical representations, such as scatter plots and bar graphs, which illustrate the trends and distributions of the data. Notably, the analysis of variance (ANOVA) results showed that the differences between groups were statistically significant (p < 0.05), reinforcing the validity of the findings. Overall, these results contribute to the existing body of knowledge by providing empirical evidence that supports the proposed theoretical framework.
Discussion
In this section, the synthesis and characterization of four covalent organic frameworks (COFs) derived from different diamines and a triphenylamine (Tp) precursor are discussed, highlighting their structural and functional properties. The COFs were synthesized through a one-step Schiff base condensation reaction, and while they share similar topological structures, TpPm exhibited superior photocatalytic performance due to its optimal nitrogen content and arrangement. Characterization techniques such as powder X-ray diffraction (PXRD), scanning electron microscopy (SEM), and nitrogen adsorption-desorption isotherms confirmed the crystalline structure and microporous nature of the COFs, with TpPm showing a specific surface area of 1256 m²/g and a dominant pore size of 1.4-1.6 nm.
The electronic properties were further analyzed through various spectroscopic methods, revealing the successful formation of β-ketoenamine linkages and significant differences in the electronic structure due to nitrogen incorporation. Notably, TpPm demonstrated the highest photocatalytic hydrogen peroxide (H₂O₂) production rate of 17014 μmol h⁻¹ g⁻¹ under visible light, significantly outperforming the other COFs. The reaction pathway for H₂O₂ production was elucidated, indicating that TpPm facilitates both the two-electron oxygen reduction reaction (ORR) and four-electron water oxidation reaction (WOR). The study also emphasized the importance of nitrogen atom positioning and quantity in modulating the electronic properties and enhancing photocatalytic activity, with TpPm maintaining high stability and efficiency over multiple cycles, making it a promising candidate for environmental applications such as wastewater treatment.