Topology-Optimized 3D Metalloporphyrin Covalent Organic Framework for Photocatalytic CO2 Fixation

化学 共价键 光催化 固定(群体遗传学) 拓扑(电路) 光化学 组合化学 催化作用 有机化学 数学 生物化学 基因 组合数学
作者
Wei‐Kang Qin,Yan-Ning Jin,Lijun Zhang,Cheng Wang,Jianpeng Sun,Chen‐Ho Tung,Li‐Zhu Wu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (36): 33060-33070 被引量:20
标识
DOI:10.1021/jacs.5c10862
摘要

Three-dimensional (3D) covalent organic frameworks (COFs) represent promising photocatalytic platforms with accessible active sites, yet their development faces challenges in terms of structural diversity and synthetic complexity. Herein, a robust 3D metalloporphyrin COF with scu topology and 2-fold interpenetration is achieved by using high-connectivity metalloporphyrin, and different metal centers within the porphyrin units of 3D COFs lead to intriguing structural variations. Particularly, the 3D cobalt-porphyrin-based COF achieves efficient photocatalytic CO 2 -to-CO conversion with a rate of 21 251.0 μmol g –1 h –1, 94.2% selectivity, and a cycle stability up to 6 cycles for 30 h. The accessible active sites of 3D COF deliver an exceptional turnover frequency (TOF) and conversion rate compared with reported pristine COFs for photocatalytic CO 2 fixation. Density functional theory (DFT) calculations demonstrate the efficient donor–acceptor (D-A) system constructed in the framework, and the temperature-programmed desorption (TPD) measurement confirms the superiority of the 3D network for CO 2 chemisorption. In contrast, the two-dimensional (2D) counterpart with similar composition and D–A system is restricted by the buried metal centers. Taking the high efficiency and selectivity of CO 2 -to-CO conversion, the robust metalloporphyrin-based 3D COF has been further incorporated into tandem reaction toward higher value-added chemical products.
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