Elucidating the Origin of Hidden Limitations in Ru-Complex/Ag/Polymeric Carbon Nitride Hybrid Photocatalysts for Visible-Light CO 2 Reduction

化学 选择性 人工光合作用 量子产额 氮化碳 光催化 格式化 光化学 配体(生物化学) 甲酸甲酯 催化作用 氧化还原 产量(工程) 氮化物 碳纤维 还原(数学) 选择性还原 可见光谱 分解 太阳能燃料 甲醇 化学工程 分子 纳米技术 协同催化 石墨氮化碳 反应中间体 反应机理 组合化学 半导体 二氧化碳电化学还原 混合材料 能量转换效率
作者
ryuichi nakada,Rikuya Nagao,Jo Onodera,Xian Zhang,Masahito Oura,Megumi Okazaki,Toshiya Tanaka,Riku Koda,M Tanaka,K Onda,Kazuhiko Maeda
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (10): 10924-10933
标识
DOI:10.1021/jacs.5c21374
摘要

Artificial photosynthesis that converts CO2 into value-added chemicals under mild conditions remains a key goal in sustainable catalysis. Hybrid photocatalysts that integrate molecular CO2 reduction cocatalysts with semiconductor light absorbers provide a versatile platform to combine molecular-level selectivity with solid-state photostability. However, their quantum efficiencies have generally remained low, partly because side reactions of the molecular component have been overlooked. Here we show that suppressing a photochemical ligand-exchange reaction of a surface-anchored Ru complex, trans(Cl)-[Ru(bpy(CH2PO3H2)2)(CO)2Cl2], markedly enhances photocatalytic CO2 reduction over a well-established Ag-loaded polymeric carbon nitride hybrid. The suppression of this undesirable photochemical reaction is achievable under low-intensity visible light when the Ru complex is loaded at a high density. The optimized system achieves selective CO2-to-formate conversion with an apparent quantum yield of 27.7% at 400 nm and a formate selectivity greater than 99%. Spectroscopic analyses reveal that the suppression of photochemical ligand exchange maintains the original Ru coordination environment with large driving force for CO2 reduction, thereby stabilizing the catalytic cycle and facilitating efficient interfacial electron transfer. These results reveal an unrecognized limitation in molecule/semiconductor hybrid photocatalysts─photochemical ligand exchange of the molecular cocatalyst─and demonstrate that controlling such side reactions offers an important strategy to design high-efficiency CO2 reduction systems.
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