Photocatalytic Ammonia Synthesis using Fe-Based MOFs: The Role of Ligand Functionalization

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作者
Jana Bischoff,Cornelia von Baeckmann,Shaghayegh Naghdi,Adrian Ertl,Vasily Vorobyev,Anastasiia Naryshkina,Lakhanlal Lakhanlal,Hanspeter Kählig,Laura Kronlachner,Robert T. Woodward,Freddy Kleitz,Andreas Limbeck,Maytal Caspary Toroker,Amanda J. Morris,Dominik Eder
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (21): 21382-21392 被引量:8
标识
DOI:10.1021/jacs.5c22833
摘要

High Resolution Image Download MS PowerPoint Slide Photocatalytic ammonia (NH 3 ) synthesis offers a carbon-neutral alternative to the Haber–Bosch process, which generates 42 million metric tons of CO 2 equivalent emissions annually. However, solar-to-ammonia conversion with contemporary photocatalysts remains far from practical requirements, and understanding the limiting factors in systems with well-defined active sites is crucial. Here, we show how the μ 3 -oxo-centered trinuclear Fe cluster in MIL-101(Fe) functions as the catalytic motif for N 2 -to-NH 3 conversion through combined experimental and computational investigations. Comparative studies with a molecular analogue demonstrate that the cluster is stabilized within the MOF framework, sustaining redox cycling and maintaining high catalytic activity. We systematically functionalized the dicarboxylate ligands of MIL-101(Fe) with −NH 2, −Br, −NO 2, −F, and −CF 3 to probe how ligand chemistry modulates Fe electron density, N 2 adsorption capacity, and proton availability, correlating these properties with catalytic performance using spectroscopic and surface characterization techniques alongside time-resolved infrared to assess excited-state lifetimes. F-functionalization optimally balances N 2 activation, proton availability at Fe active sites, and excited-state lifetimes, boosting NH 3 production by ∼ 60% relative to unmodified MIL-101(Fe). This study of ligand-functionalized MIL-101(Fe) MOFs uncovers the underlying structure-activity relationships and advances design principles for solar-driven NH 3 synthesis.
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