Unveiling the Role of Excited‐State Dipole Moment: Governing Non‐Sacrificial H2O2 Generation on Porphyrin Photocatalysts

激发态 超分子化学 化学 卟啉 光化学 光催化 偶极子 激子 跃迁偶极矩 物理化学 结晶学 催化作用 原子物理学 有机化学 晶体结构 物理 量子力学
作者
Yaning Zhang,Jiawei Zhang,Shuai Dou,Hengjun Shang,Jing Xu,Yuming Dong,Ying Zhang,Yang Lou,Chengsi Pan,Yongfa Zhu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202512844
摘要

Abstract H 2 O 2 production via the simultaneous oxygen reduction reaction (ORR) and water oxidation reaction (WOR) on organic photocatalysts theoretically achieves 100% atom economy. However, the charge separation and transfer mechanism in such organic systems remains poorly understood, especially as organic molecular designs based on ground‐state dipole moments (µ g ) often fail to predict photocatalytic behavior. Here, we synthesize a series of carboxyl‐modified tetraphenylporphyrin supramolecular photocatalysts (TPP‐(COOH) n , where n = 1∼4, 8) to investigate the structure‐activity relationship. The H 2 O 2 generation activity follows the order TPP‐(COOH) 2 < TPP‐(COOH) < TPP‐(COOH) 3 < TPP‐(COOH) 8 < TPP‐(COOH) 4 , increasing with the excited‐state dipole moment (µ e ) rather than the traditionally considered µ g or number of ‐COOH groups. The µ e , influenced by O 2p‐band center shifts from carboxyl substitution, is demonstrated to govern the charge separation and transfer via an internal electric field. Moreover, exciton dissociation studies indicated that low‐dielectric TPP‐(COOH) n exhibits notably prolonged excitonic lifetimes (ca. 5 ns), making µ e the key activity determinant. Based on this insight, we designed a high‐µ e phthalocyanine supramolecular photocatalyst (H 2 Pc(COOH) 8 ), achieving an unprecedented H 2 O 2 production rate of 58 mM·h −1 ·g −1 and a quantum efficiency (QE) of 18.7% at 420 nm. This study establishes µ e as a predictive parameter for H 2 O 2 generation on organic photocatalysts.
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