Extending the π-Conjugated System in Conjugated Microporous Polymers to Modulate Excitonic Effects for Metal-Free Selective CO2 Photoreduction to CH4

共轭微孔聚合物 共轭体系 光催化 光化学 选择性 催化作用 分子内力 噻唑 材料科学 聚合物 化学 氧化还原 组合化学 有机化学
作者
Meng Fanyu,Juan Wang,Minghui Chen,Zhenguang Wang,Guoyi Bai,Xingwang Lan
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (18): 12142-12152 被引量:96
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c02950
摘要

Photocatalytic CO2 reduction into CH4 is an appealing approach to alleviate the current energy and environmental crisis; however, achieving high selectivity and conversion efficiency still remains challenging. The rational design of photocatalysts for CO2 adsorption and activation is thus crucial. Here, we designed and synthesized two redox-active truxene-based conjugated microporous polymers linked by thiazolo[5,4-d]thiazole for metal-free photocatalytic reduction of CO2 to CH4. Significantly, the optimized polymer with the extended π-conjugated system, denoted Tx-TzTz-CMP-2, presented a higher CH4 production rate of 300.6 μmol g–1 h–1 with a selectivity of 71.2% without any metal cocatalyst and photosensitizer, which outperformed most of the previously reported photocatalysts. Experimental and theoretical investigations revealed that introducing phenyl as a π-bridge extending electron delocalization of conjugated system might effectively minimize exciton binding energy, thereby boosting the intramolecular charge transfer and separation abilities. Meanwhile, the N-site of the thiazole unit acted as an electron reservoir and a catalytic center for activating the adsorbed CO2 and forming CH4 by subsequent hydrogenation. This work highlights the significance of the extended π-conjugated system in metal-free conjugated microporous polymers to improve the activity and selectivity of CO2 photoreduction to CH4.
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