Monolayered Metal–Organic Framework Unlocks Integration of Shaped Nanoparticles for Synergistic Photocatalysis

化学 光催化 纳米颗粒 单层 金属 纳米技术 协同催化 金属有机骨架 化学工程 复合数 电子转移 光化学 催化作用 有机化学 复合材料 材料科学 吸附 生物化学 工程类
作者
Kun Wang,Yufeng Zhang,Z.F. Gong,An Li,Yiyang Ma,Jun‐Hao Wang,Hu Zhang,Ruizhi Huang,Zi Yang,Zixuan Yu,Shengwei Zeng,Jiangnan Li,Sihai Yang⧫,Ya‐Wen Zhang,Guangxu Lan
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (28): 24241-24247 被引量:3
标识
DOI:10.1021/jacs.5c09403
摘要

Metal-organic frameworks (MOFs) with ordered structures and high surface areas are promising supports for metal nanoparticles (MNPs) in synergistic catalysis. However, their limited pore sizes restrict integration to small spherical MNPs, excluding shaped MNPs that are critical for exposing specific lattice surfaces and achieving a superior catalytic performance. In this work, we address this limitation by reducing MOFs to monolayers, enabling the integration of shaped MNPs onto their surfaces to significantly enhance the catalytic efficiency. The monolayered MOF (monoMOF), Hf12-Ir, with a thickness of ∼1.8 nm, was synthesized using photosensitizing DBB-Ir-F linkers. Freshly synthesized cubic Cu nanoparticles (Cu-NPs, ∼35 nm) were functionalized with thioctic acid (TA) via Cu-S coordination and integrated onto the surface of Hf12-Ir through carboxylate-Hf12 coordination, forming the Cu/Hf12-Ir composite. Upon light irradiation, Cu/Hf12-Ir achieved exceptional CO2-to-CO conversion with a turnover frequency of 82.9 mmol gCu-1 h-1 and a CO selectivity of 98.3%. This catalytic performance was over an order of magnitude higher than that of the homogeneous system (Cu-NPs and H2DBB-Ir-F) and the small spherical MNPs-based composite (S-Cu/Hf12-Ir). Mechanistic studies revealed a synergistic effect between the Cu-NPs and Hf12-Ir, where their proximity enhanced electron transfer from the photoexcited DBB-Ir-F centers to the Cu-NPs. This work demonstrates a straightforward strategy for constructing MNP-monoMOF composites and highlights the critical charge transfer pathway between the photosensitizing monoMOF and catalytic MNPs.
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