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 微型多孔材料 化学 氧化还原 组合化学 有机化学
作者
Fanman Meng,Juan Wang,Ming‐Hui Chen,Zhenguang Wang,Guoyi Bai,Xingwang Lan
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:13 (18): 12142-12152 被引量:8
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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