Electron-Withdrawing Effects in Cobalt Porphyrin Catalysts Boost Homogeneous Photocatalytic Hydrogen Evolution in Neutral Aqueous Solutions

卟啉 催化作用 水溶液 光催化 极性效应 同种类的 化学 光化学 无机化学 有机化学 热力学 物理
作者
Chengyu Liu,Titus de Haas,Francesco Buda,Sylvestre Bonnet
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:: 4681-4697
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c00788
摘要

Molecular catalysts offer an ideal platform for conducting mechanistic studies of the hydrogen evolution reaction (HER) due to their electronic tunability. This study explores a series of anionic M═Co(III)- and M═Zn(II)-porphyrin complexes with electron-donating ([M(OMeP)]n−, [M(MeP)]n−) and electron-withdrawing ([M(F8P)]n−, [M(F16P)]n−) substituents. The activity of these complexes for the HER was analyzed in homogeneous photocatalytic conditions using [Ru(bpy)3]2+ as a photosensitizer under blue light (450 nm) irradiation. The substituent-induced electronic effects were found to tightly control the activity and mechanism of the photocatalytic HER. As expected, the electron-rich [Co(OMeP)]3– catalyst showed higher activity in acidic media (pH 4.1) with a maximum TOF of 7.2 ± 0.4 h–1 and TON of 175 ± 5 after 39.5 h. DFT calculations were performed to investigate the HER mechanism. H2 formation was found to initiate following proton-coupled reduction of a CoIII–H hydride intermediate in such conditions. More surprisingly, however, the electron-poor [Co(F16P)]3– catalyst was more active at neutral pH (7.0), achieving a maximum TOF of 6.7 ± 0.3 h–1 and TON of 70 ± 3 after 39.5 h. Instead of forming the CoIII–H hydride, an additional ligand-based reduction led to a ligand-protonated intermediate. This work demonstrates that electron-poor HER catalysts can outperform electron-rich catalysts near neutral pH conditions.
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