Photocatalytic Activity of Ionic Carbon Nitrides is Governed by Cation-Modulated Dark Exciton Dynamics

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作者
Arindam Konar,Johannes Liessem,Changbin Im,Mohamed M. Elnagar,Dariusz Mitoraj,Pratibha Saini,Igor Krivtsov,Sarah Jasmin Finkelmeyer,Martin Presselt,Timo Jacob,Radim Beránek,Benjamin Dietzek‐Ivanšić
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2025-06w6m
摘要

Ionic polymeric carbon nitrides, poly(heptazine imides) (PHIs), have emerged as promising photocatalysts, yet the relationship between their structure, exciton dynamics, and activity has remained elusive so far. Here, we establish a direct link between photocatalytic activity, spectroscopic properties, and theoretical analysis of structural effects on exciton behavior in water-soluble PHIs with different cations. Using steady-state and time-resolved emission spectroscopy alongside ultrafast transient absorption spectroscopy performed in the absence and presence of hole and electron quenchers, we uncover two distinct excitonic relaxation pathways: sub-100 ps decay dominated by exciton recombination and shallow-trap states, and sub-ns dynamics associated with deep-trap assisted recombination. Notably, ethanol accelerated the sub-100 ps decay via hole quenching, while the deep traps were unaffected by ethanol. Our spectroscopic results show that the photocatalytic activity in H2O2 production (CsPHI << NaPHI < KPHI) correlates with exciton lifetimes, whereby our theoretical analysis reveals that the observed modulation of exciton lifetimes is primarily related to different dark exciton dynamics governed by changes in interlayer interactions due to the altered structural corrugation in the presence of various cations. This work establishes a unified structure–dynamics–activity relationship in PHIs, offering new design guidelines for PHI-based photocatalytic materials.
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