Highly Efficient, Noble-Metal-Free, Fully Aqueous CO2 Photoreduction Sensitized by a Robust Organic Dye

化学 贵金属 光敏剂 卟啉 水溶液 催化作用 光催化 光化学 阳离子聚合 金属有机骨架 电子转移 有机化学 吸附
作者
Fan Ma,Zhi‐Mei Luo,Jia‐Wei Wang,Gangfeng Ouyang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (26): 17773-17783 被引量:31
标识
DOI:10.1021/jacs.4c03128
摘要

The development of efficient, selective, and durable CO2 photoreduction systems presents a long-standing challenge in full aqueous solutions owing to the presence of scarce CO2 and the fierce competition against H2 evolution, which is even more challenging when noble metals are not utilized. Herein, we present the facile decorations of four phosphonic acid groups on a donor-acceptor-type organic dye to obtain a water-soluble photosensitizer (4P-DPAIPN), which succeeds the excellent photophysical and photoredox properties of its prototype, exhibiting long-lived delayed fluorescence (>10 μs) in aqueous solutions. Combining 4P-DPAIPN with a cationic cobalt porphyrin catalyst has accomplished record-high apparent quantum yields of 9.4-17.4% at 450 nm for CO2-to-CO photoconversion among the precedented systems (maximum 13%) in fully aqueous solutions. Remarkable selectivity of 82-93% and turnover number of 2700 for CO production can also be achieved with this noble-metal-free system, outperforming a benchmarking ruthenium photosensitizer and a commercial organic dye under parallel conditions. Such high performances of 4P-DPAIPN can be well maintained under real sunlight. More impressively, no significant decomposition of 4P-DPAIPN was detected during the long-term photocatalysis. Eventually, the photoinduced electron transfer pathways were proposed.
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