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Metal‐Ion‐Coordinated Microenvironments in Covalent Organic Frameworks for Enhanced Photocatalytic CO2 Reduction

材料科学 光催化 共价键 金属有机骨架 金属 还原(数学) 离子 纳米技术 化学工程 光化学 无机化学 催化作用 冶金 有机化学 吸附 几何学 化学 工程类 数学
作者
Boying Zhang,Hang Li,Yazhou Kang,Kaiwei Yang,Haining Liu,Ying Zhao,Shanlin Qiao
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:35 (11) 被引量:47
标识
DOI:10.1002/adfm.202416958
摘要

Abstract Metal‐coordinated covalent organic frameworks (M‐COFs) have garnered significant attention for their potential in carbon dioxide (CO 2 ) photoreduction. However, the efficient conversion of CO 2 to (carbon monoxide) CO remains challenging because of the strong exciton effects from the Coulombic interactions of electron‐hole pairs within the metal‐associated coordination environment. Herein, three benzoxazole (BBO)‐based COF photocatalysts coordinated with cobalt (Co) ions featuring distinct coordination geometries: Co‒N‒O 2 , Co‒N‒O 3 , and Co‒N 2 ‒O 2 are strategically designed. The exciton dissociation is precisely modulated and the photocatalytic reduction of CO 2 is enhanced. Among them, BBO‐COF BPY ‐Co demonstrates a significant increase in CO production rate from 5, 024.87 to 10, 552.15 µmol g −1 h −1 , and an improvement in the selectivity from 80% to 91%, coupled with excellent stability. Spectral characterizations and density functional theory (DFT) theoretical calculations elucidate that the judicious tuning of the Co atom coordination environment optimized the local electronic structure of the BBO‐COFs which significantly boosts the exciton dissociation, facilitates charge carrier migration within the framework, mitigates the recombination of photogenerated electron‐hole pairs, and reduce the energy barrier of the rate‐determining step. This study provides insight into the pivotal role of metal coordination microenvironments in enhancing the photocatalytic CO 2 reduction process and paving the way for new strategies in exciton regulation within COFs.
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