Photoinduced Charge Transfer with a Small Driving Force Facilitated by Exciplex-like Complex Formation in Metal–Organic Frameworks

化学 氧化还原 发色团 激发态 光化学 配体(生物化学) 准分子 接受者 结晶学 荧光 无机化学 有机化学 核物理学 生物化学 物理 受体 量子力学 凝聚态物理
作者
Xinlin Li,Jierui Yu,Zhiyong Lu,Jiaxin Duan,H. Christopher Fry,David J. Gosztola,Karan Maindan,Sreehari Surendran Rajasree,Pravas Deria
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (37): 15286-15297 被引量:57
标识
DOI:10.1021/jacs.1c06629
摘要

Photoinduced charge transfer (PCT) is a key step in the light-harvesting (LH) process producing the redox equivalents for energy conversion. However, like traditional macromolecular donor–acceptor assemblies, most MOF-derived LH systems are designed with a large Δ G 0 to drive PCT. To emulate the functionality of the reaction center of the natural LH complex that drives PCT within a pair of identical chromophores producing charge carriers with maximum potentials, we prepared two electronically diverse carboxy-terminated zinc porphyrins, BFBP(Zn)-COOH and TFP(Zn)-COOH, and installed them into the hexagonal pores of NU-1000 via solvent-assisted ligand incorporation (SALI), resulting in BFBP(Zn)@NU-1000 and TFP(Zn)@NU-1000 compositions. Varying the number of trifluoromethyl groups at the porphyrin core, we tuned the ground-state redox potentials of the porphyrins within ca. 0.1 V relative to that of NU-1000, defining a small Δ G 0 for PCT. For BFBP(Zn)@NU-1000, the relative ground- and excited-state redox potentials of the components facilitate an energy transfer (EnT) from NU-1000* to BFBP(Zn), forming BFBP(Zn) S1 * which entails a long-lived charge-separated complex formed through an exciplex-like [BFBP(Zn) S1 *–TBAPy] intermediate. Various time-resolved spectroscopic data suggest that EnT from NU-1000* may not involve a fast Förster-like resonance energy transfer (FRET) but rather through a slow [NU-1000*–BFBP(Zn)] intermediate formation. In contrast, TFP(Zn)@NU-1000 displays an efficient EnT from NU-1000* to [TFP(Zn)–TBAPy], a complex that formed at the ground state through electronic interaction, and thereon showed the excited-state feature of [TFP(Zn)–TBAPy]*. The results will help to develop synthetic LHC systems that can produce long-lived photogenerated charge carriers with high potentials, i.e., high open-circuit voltage in photoelectrochemical setups.
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