Ultrathin Hf-MOF with Dinitrogen Chelating Sites Stabilizing and Inducing Generation of Single-Rod Cs3Bi2Br9 Nanocrystals for Efficient Photocatalytic CO2 Reduction

化学 纳米晶 光催化 螯合作用 无机化学 物理化学 化学工程 结晶学 催化作用 有机化学 工程类
作者
Ren Ma,Tianyu Wang,Baoyin Qian,Zhengqiang Xia,Sirong Chen,Sirong Chen,Weiliang Shi,Qibin Yang,Gang Xie,Sanping Chen,Sanping Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (36): 32625-32639 被引量:7
标识
DOI:10.1021/jacs.5c08000
摘要

The ordered growth of semiconductor quantum dots (QDs) in confined environments remains a critical challenge in photocatalysis. Herein, Cs3Bi2Br9 (CBB) QDs were covalently anchored as single-rod nanocrystals (SRNCs) within Hf-based metal-organic framework (MOF) nanosheets (Hf12-bpy, H2bpy = 2,2'-bipyridine-5,5'-dicarboxylic acid), forming a series of host-guest photocatalysts CBB@Hf12-bpy. By modulation of the thickness of MOF nanosheets, the length of CBB SRNCs was effectively shortened to 18 nm, exhibiting strong quantum confinement effects. Mechanistic studies reveal that the bpy-CBB dual-nitrogen chelation effect induces a discrete distribution of CBB within Hf12-bpy pores, and the well-matched interlayer spacing of H2bpy (7.95 Å ≈ dBi···Bi) guides the anisotropic growth of CBB along the [001] direction into SRNCs. Such a long-range-ordered SRNC architecture significantly improves the bulk-to-surface charge separation efficiency, enabling ultrafast electron supply (average charge excitation rate: 5.320 mV). Additionally, the chelated N-Bi-N moieties work as covalent electron-transfer bridges to markedly reduce charge-transfer resistance (7.75 Ω) and interfacial charge-transfer barriers (100.5 meV), accelerating interfacial charge migration kinetics. These synergistic advantages endow CBB@Hf12-bpy(18 nm) with an exceptional electron accumulation rate (1.54 g-1·min-1) and record-breaking CO2-to-CO conversion efficiency (15,982.1 μmol·g-1·h-1) with 100% selectivity. The durability, stability, and potential photocatalytic mechanisms were also systematically investigated.
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