Photocatalytic Synthesis of Hydrogen Peroxide by Rhenium Modified Metal–Organic Frameworks Incorporating Bianthracene Ligands

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作者
Boya Tang,David Brooks,Meng He,Yinlin Chen,Hu Zhang,Xue Han,Jiangnan Li,Siyu Zhou,J. Fan,Yukun Ye,Iván da Silva,Cheng Li,Zi Wang,Lutong Shan,Bing Han,Weiyao Li,Daniil M. Polyukhov,Bing An,Catherine Dejoie,Martin C. Wilding
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (28): 24326-24335 被引量:2
标识
DOI:10.1021/jacs.5c00603
摘要

Photocatalytic synthesis of hydrogen peroxide (H2O2) from oxygen (O2) is a challenging process. Metal-organic framework (MOF) materials are emerging photocatalysts with potential tunable light absorption properties. Herein, we report a rhenium (Re) modified Zr-based MOF, Re10-MFM-67, in which active Re sites are incorporated into MFM-67 by partial replacement of 9,9'-bianthracene-10,10'-dicarboxylic acid (H2L1) with a [(H2L2)ReI(CO)3Cl] (H2L2 = 2,2'-bipyridine-5,5'-dicarboxylic acid) moiety. Re10-MFM-67 (10 refers to the molar percentage content of Re complex within the material) exhibits broadband light absorption with an exceptional rate of formation of H2O2 from O2 of 8.50 mmol gcat-1 h-1 and a record turnover frequency (TOF) of 28.7 h-1 under visible light irradiation (λ > 400 nm). Synchrotron powder X-ray diffraction (SPXRD) and neutron powder diffraction (NPD) confirm the structure of Re10-MFM-67, and together with extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) analysis establish the coordination environment and binding of the [ReI(CO)3Cl] moiety within the framework structure. In situ electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy suggests that photocatalytic H2O2 generation on Re10-MFM-67 occurs via a two-step oxygen reduction reaction (ORR) pathway with the superoxide anion formed as an intermediate. This study promotes the design of MOF-based photocatalysts with conjugated ligands for efficient photosynthesis.
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