Auxiliary Linker-Enabled Local Protonation Boosts the Ammonia Electrosynthesis in Heterometallic Metal–Organic Frameworks

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作者
Ying Liu,Yang Lv,Yuming Gu,Pan Ran,Jian Su,Xiaocheng Zhou,Ya Yin,Xinyu Xu,Youcong Li,Lei Gao,Yue Zhao,Mengning Ding,Jing Ma,Jing Lin Zuo,Shuai Yuan
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (7): 7495-7504
标识
DOI:10.1021/jacs.5c20755
摘要

Controlling the local proton environment is a powerful strategy for accelerating proton-coupled electron transfer reactions, but realizing this within stable heterogeneous catalysts remains challenging. Herein, we report a series of metal-organic frameworks (MOFs), PCN-800M-L, featuring precisely placed proton relays adjacent to catalytic sites for boosting electrocatalytic nitrate reduction to ammonia (NO3RR). PCN-800M-L series was constructed by sequentially installing catalytically active metal sites (M = Ni2+ or Co2+) and auxiliary nitrogen-donor linkers (L = L1-L5) into a robust Zr4+-based framework. Auxiliary linkers reversibly dissociate upon protonation, transiently exposing active metal sites while functioning as localized proton relays. By systematically varying the metals and linkers, we uncover a volcano-type dependence of NO3RR activity on linker pKa, with the PCN-800Co-L3 achieving the highest turnover frequency (1863 h-1) and Faradaic efficiency (97.9%). This work establishes a molecular-level design principle that harnesses auxiliary linkers as programmable proton sources in MOFs, enabling efficient multielectron electrocatalysis.
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