Site-Specific Asymmetric Coordination Engineering in Defective Metal–Organic Frameworks Stabilizes Cu(I) Active Sites for Selective CO 2 -to-Methanol Photocatalysis

化学 光催化 选择性 配体(生物化学) 产量(工程) 甲醇 纳米技术 催化作用 组合化学 螯合作用 还原(数学) 反应中间体 光化学 配位复合体 碳纤维 反应机理
作者
Yan Che,Dashu Chen,Bo Wang,Mengying Li,Yuanyuan Zhao,Guangshan Zhu,Hongzhu Xing
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (5): 5764-5773 被引量:20
标识
DOI:10.1021/jacs.5c22163
摘要

Solar-driven CO 2 reduction by means of single-atom photocatalysis holds great promise for simultaneously addressing carbon neutrality and producing valuable chemicals. The coordination-field engineering of a single-atom (SA) site essentially provides an intriguing strategy to steer the CO 2 reduction pathway. We report herein the site-specific confinement of Cu SA with an asymmetric coordination microenvironment in defective MIL-125-NH 2 to facilitate photocatalytic CO 2 -to-CH 3 OH conversion. This is achieved by precisely anchoring a flexible N-heteromacrocyclic ligand of tetraxetan (DOTA) on unsaturated Ti-oxo clusters to repair the missing-linker defect in heat-treated MIL-125-NH 2, followed by Cu-DOTA chelation leveraging ultrahigh formation constant to stabilize Cu SA. Under scavenger-free conditions, the photocatalyst exhibits a methanol yield of 229.0 μmol·g –1 ·h –1 and an excellent product selectivity of up to 95.9%. Mechanistic studies reveal that the asymmetric coordination environment promotes the formation of stable Cu(I) over Cu(II), which lowers the energy barrier of the key reaction intermediates and suppresses byproduct formation, thereby enabling high selectivity toward the product CH 3 OH.
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