Tailoring the Cu 2+ Coordination Microenvironment in Porous Organic Frameworks for Switchable CO 2 Photoreduction to CO or CH 4

催化作用 选择性 材料科学 光催化 合理设计 多孔性 金属有机骨架 纳米技术 配体(生物化学) 铜 化学工程 产量(工程) 吸收(声学) 金属 氧化还原 配位复合体 吸收光谱法 能量转换 可见光谱 多相催化 多孔介质 组合化学 光化学 化学 工作(物理)
作者
Bishal Boro,Tao Zheng,Ankita Boruah,Ravi Kumar,D. Bhattacharyya,Abhijit Shrotri,Qing‐Xiao Tong,Bikash Mishra,Jing‐Xin Jian,John Mondal
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:21 (48): e06582-e06582 被引量:11
标识
DOI:10.1002/smll.202506582
摘要

Abstract Solar‐driven conversion of CO 2 to fuels addresses both energy and environmental crises. This study reports the rational design and synthesis of two heteroatom‐enriched imine‐based porous organic frameworks (POFs), NON‐POF and NNN‐POF, further functionalized with copper sites (Cu@NON‐POF and Cu@NNN‐POF) for photocatalytic CO 2 reduction under visible light. Notably, Cu@NNN‐POF exhibits exceptional CO production with a remarkable yield of 4.86 mmol g −1 , whereas Cu@NON‐POF enables an 8‐electron reduction pathway, selectively producing CH 4 (0.18 mmol g −1 ) alongside notable amounts of CO and H 2 . The enhanced CH 4 selectivity in Cu@NON‐POF arose from the distinct hydrogen‐bonding interactions between its N‐H moieties and CO 2 intermediates, which promotes multi‐step hydrogenation. Spectroscopic and theoretical analyses reveal how structural and electronic properties govern catalytic activity and product selectivity. Operando extended X‐ray absorption fine structure (EXAFS) studies provide crucial insights into the dynamic coordination environment, oxidation states, and structural evolution of Cu active sites under operational conditions, clarifying the mechanistic basis for product selectivity. This work highlights the potential of Cu‐incorporated POFs as robust and cost‐effective systems for solar‐driven CO 2 reduction, advancing catalytic design strategies for clean energy production. Additionally, the mechanistic investigations emphasized the pivotal role of ligand architecture and metal coordination environments in tailoring product selectivity during photocatalytic CO 2 reduction.
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