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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 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) 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,R. 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:18
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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