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Ultrafast Photothermal Conversion of Ru/Zn Heterometallic Metal–Organic Framework for Synergistic Catalytic CO2 Fixation

光热治疗 催化作用 化学 超短脉冲 光热效应 水溶液 光化学 纳米技术 化学工程 辐照 吸收(声学) 化学稳定性 组合化学 水介质 产量(工程) 能量转换 激光器 高能 太阳能 光催化
作者
Fang‐Yu Ren,Lu-Qiang Wang,Juan-Mei Wang,Zhi Fang,Ling-Hao Duan,Qi-Fan Wang,Min Zhou,Fang-Ting ZHU,Hong-Xia Shao,Qi Li,Shumei Su,Zhikang Cai,Donglin Wang,Yue Zhang,H J Xu,Zhi Chen,Ke R. Yang,Bin Zhao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (36): 38619-38630 被引量:3
标识
DOI:10.1021/jacs.6c04262
摘要

Abstract Solar-driven photothermal catalytic conversion of CO2 into high-value chemicals offers a promising strategy to enhance solar energy utilization and mitigate the energy crisis. However, the development of catalytic materials that simultaneously exhibit strong light absorption, rapid photothermal conversion, and excellent stability remains a significant challenge. Herein, we report a metal–organic framework, GIA-RuZn, which integrates light-harvesting [Ru(bpy)3]2+ units and catalytically active Zn2+ centers into a highly stable interwoven architecture. GIA-RuZn shows remarkable light absorption and ultrafast photothermal conversion, reaching 155.7 °C within only 1.3 s under 808 nm laser irradiation (0.8 W cm–2). Under 20 W white LED irradiation, GIA-RuZn efficiently catalyzes the carboxylative cyclization of propargylic amines with CO2. It achieves a 99% yield and an outstanding turnover number (TON) of 556, surpassing most reported catalysts for this reaction. The framework demonstrates excellent stability, retaining structural integrity in both 2 M NaOH and 1 M HCl aqueous solutions and maintaining high performance over 10 recycling tests. Mechanistic studies through DFT calculations confirm that GIA-RuZn significantly decreases the reaction energy barrier, particularly during cyclization, reducing ΔG‡ from 29.1 to 18.1 kcal/mol. This molecular-level design strategy for multifunctional photothermal catalysts within a stable framework establishes a highly efficient and sustainable platform for advanced CO2 conversion.
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