Regulating Electronic Structure of Transition Metal Single‐Atoms in COFs for Enhanced Photocatalytic CO 2 Reduction

材料科学 电子结构 共价键 催化作用 光催化 过渡金属 费米能级 合理设计 吸附 极化(电化学) 纳米技术 选择性 自旋极化 光化学 工作(物理) 化学物理 自旋(空气动力学) 设计要素和原则 活动中心 密度泛函理论 分子电子跃迁 烟气 吸收(声学) 自旋态 金属 化学工程
作者
Yuehua Chen,Shaokui Chen,Mingfei Yu,Guocheng Huang,Qiaoshan Chen,Ling Wu,Liuyi Li,Jinhong Bi
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:38 (41): e73738-e73738 被引量:5
标识
DOI:10.1002/adma.73738
摘要

ABSTRACT The rational regulation of the electronic structure in single‐atom catalysts (SACs) is pivotal yet challenging for enhancing photocatalytic CO 2 reduction. Herein, we elaborately designed a series of M 1 N 2 sites (M = Au, Pt, Pd, Ru, Mo) anchored on a vinylene‐linked covalent organic framework (sp 2 c‐COF) to construct M/COF SACs for gas‐solid CO 2 photoreduction. The M/COF SACs revealed a d‐orbital electronic configuration‐dependent activity, where the d‐band center exhibiting strong correlation with CO 2 adsorption energy (R 2 = 0.98). Notably, the Mo/COF catalysts delivered a superior CO rate of 294.43 µmol·g −1 ·h −1 with near‐unity selectivity under pure CO 2 and sustained 146.6 µmol·g −1 ·h −1 under simulated flue gas (15% CO 2 ). The superior activity originates from the synergistic interplay of its highest d‐band center (−0.314 eV) and strongest spin polarization among the series. This unique electronic structure, featuring abundant single‐atom states near the Fermi level and half‐occupied d orbitals, facilitates optimal σ‐donation (via d z2 ) and π‐back‐donation (via d xz /d yz ) for CO 2 activation, thereby significantly lowering the energy barriers for *COOH formation and *CO desorption. This work establishes a design principle for high‐performance SACs through the co‐modulation of d‐band configuration and spin polarization.
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