Unveiling Asymmetric Dual-Metal Interfaces for Solar-Driven CO 2 -to-CH 4 Reduction Coupled with C–H Activation

化学 异核分子 串联 纳米团簇 催化作用 选择性 光催化 反应中间体 组合化学 电子转移 光化学 纳米技术 锚固 工作(物理) 还原(数学) 氧化还原 半导体 吸附 设计要素和原则
作者
Wentao Song,Yao Wu,Yuan‐Ming Zhang,Bo Song,Yufu Tang,Qizhi He,Yingfang Yao,Bin Liu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (4): 4568-4578 被引量:2
标识
DOI:10.1021/jacs.5c19901
摘要

Solar-driven conversion of CO2 and biomass-derived alcohols offers a promising strategy for mitigating CO2 emissions and providing value-added chemicals. However, due to complex reaction pathways and sluggish C-H bond activation, it remains challenging to attain efficient photocatalytic CO2 reduction to CH4 alongside the valorization of biomass-derived alcohols. Herein, we report a judicious design to construct asymmetric dual-metal catalytic centers via anchoring semiconductor nanoclusters in vacancy-rich MOFs, achieving tandem CO2-to-CH4 photoreduction with C-H oxidation. Through loading Fe2O3 clusters in O-vacancy-rich Mil-125(Ti)-NH2, interfacial O-vacancy renders a newly formed Fe-O bond as an atomic-level electron transfer pathway toward Z-scheme construction. Furthermore, the interfacial vacancies trigger intimate interactions and modulate the d-band center to form asymmetric Ti-Fe dual-metal sites. Remarkably, a superior selectivity of 87.0% toward CH4 production coupled with 100% selectivity for benzyl alcohol-to-benzaldehyde oxidation is realized. Mechanistic investigations reveal that the heteronuclear Ti-Fe units synergistically facilitate the hydrogenation of *CO to *CHO through d-p hybridization, thereby enabling CH4 synthesis to be thermodynamically favorable, while photogenerated holes from Fe2O3 preferentially oxidize the α-C-H bond of benzyl alcohol. Further supported via another MOFs-based catalyst, this work enlightens a general design of building asymmetric dual-metal interfaces to concurrently realize selective CO2 photomethanation coupled with C-H activation.
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