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Dual-Spin Centers in a Grid-like Covalent Organic Framework Promote Near-Unity CO 2 Electroreduction

化学 半醌 离域电子 激进的 共价键 光化学 钴 催化作用 组合化学 电子顺磁共振 密度泛函理论 计算化学 对偶(语法数字) 选择性 金属有机骨架 纳米技术 双重角色 动力学 电子效应 控制重构 电子结构 化学物理 自旋(空气动力学) 醌 有机合成
作者
Qianfeng Gu,Yinger Xin,Mingzi Sun,Yuanzhang Zhao,Yaqi Liao,Yuchan Zhang,Zihao Chen,Yifan Cui,Lei Zhang,Yung‐Kang Peng,Qi Liu,Yang Ren,Fu‐Rong Chen,Bolong Huang,Ruquan Ye,Qichun Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (3): 3570-3582 被引量:24
标识
DOI:10.1021/jacs.5c19281
摘要

Spin manipulation has emerged as a promising strategy for enhancing molecular electrocatalytic performance. However, precisely controlling dual spin centers and delineating their contribution to reaction kinetics remain a considerable challenge. Herein, we demonstrate that incorporating quinone moieties into a grid-like covalent organic framework (COF) enables a dual-spin-center catalysis system, simultaneously stabilizing semiquinone radicals and inducing an electronic reconfiguration with low-spin character at the cobalt center. Spectroscopic and theoretical analyses reveal a synergistic mechanism. The spin-polarized electron density of semiquinone radicals creates an internal potential gradient that promotes electron transfer, while their favorable π–π interactions enhance CO 2 affinity and boost CO 2 activation efficiency. Meanwhile, the cobalt site with a computed e g 1 occupancy (low-spin) leads to more delocalized d-electrons, a downshifted d-band center, and optimized intermediate adsorption. As a result, the dual-spin system achieves reduced barriers for *COOH formation via spin-coupling interactions and facilitated *CO desorption, collectively enabling near-unity selectivity for CO 2 -to-CO conversion. This work establishes the concurrent engineering of organic and metal spin environments as a foundational design principle for advanced molecular electrocatalysts.
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