Incorporating Zinc Metal Sites in Aluminum‐Coordinated Porphyrin Metal‐Organic Frameworks for Enhanced Photocatalytic Nitrogen Reduction to Ammonia

轨道能级差 卟啉 金属 光催化 锌 光化学 水溶液中的金属离子 氨 分子 材料科学 氮气 无机化学 化学 催化作用 有机化学
作者
Rui Liu,Hao Wu,Hoi Ying Chung,Wahyu Prasetyo Utomo,Yuanmeng Tian,Jin Shang,Patrick H.‐L. Sit,Yun Hau Ng
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:20 (44): e2402779-e2402779 被引量:13
标识
DOI:10.1002/smll.202402779
摘要

Abstract Rationally designing photocatalysts is crucial for the solar‐driven nitrogen reduction reaction (NRR) due to the stable N≡N triple bond. Metal‐organic frameworks (MOFs) are considered promising candidates but suffer from insufficient active sites and inferior charge transport. Herein, it is demonstrated that incorporating 3 d metal ions, such as zinc (Zn) or iron (Fe) ions, into Al‐coordinated porphyrin MOFs (Al‐PMOFs) enables the enhanced ammonia yield of 88.7 and 65.0 µg g cat −1 h −1 , 2.5‐ and 1.8‐fold increase compared to the pristine Al‐PMOF (35.4 µg g cat −1 h −1 ), respectively. The origin of ammonia (NH 3 ) is verified via isotopic labeling experiments. Incorporating Zn or Fe into Al‐PMOF generates active sites in Al‐PMOF, that is, Zn‐N 4 or Fe‐N 4 sites, which not only facilitates the adsorption and activation of N 2 molecules but suppresses the charge recombination. Photophysical and theoretical studies further reveal the upshift of the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) level to a more energetic position upon inserting 3d metal ions (with a more significant shift in Zn than Fe). The promoted nitrogen activation, suppressed charge recombination, and more negative LUMO levels in Al‐PMOF( 3d metal) contribute to a higher photocatalytic activity than pristine Al‐PMOF. This work provides a promising strategy for designing photocatalysts for efficient solar‐to‐chemical conversion.
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