Efficient Halogen Radical-Mediated Photosynthesis of Cyclic Carbonates over Perylene Diimide-Grafted Zirconium Metal–Organic Frameworks with Visible Light Irradiation

化学 环加成 卤素 光化学 碳酸丙烯酯 部分 光合作用 二亚胺 环氧丙烷 可见光谱 吸附 量子产额 分子 环戊烯 酰胺 氧化物 光催化 轨道能级差 密度泛函理论 量子效率 激进的 卟啉 产量(工程)
作者
Ruowen Liang,Chao Zhang,Ying Wang,Ling Wu,Yulai Zhao,Shijing Liang,Guiyang Yan,Jinlin Long
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (6): 6167-6177 被引量:12
标识
DOI:10.1021/jacs.5c17348
摘要

This work demonstrates an efficient halogen radical-mediated photocatalytic route for overcoming the kinetic bottleneck of CO 2 cycloaddition with epoxides to produce cyclic carbonates. A novel organic–inorganic nanohybrid photocatalyst is smartly designed and prepared by grafting of perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic diimide (PDI) molecules with UiO-66-NH 2 metal–organic frameworks (UZN) to perform cycloaddition of CO 2 to propylene oxide (PO) under visible light (λ ≥ 420 nm) irradiation. The PDI and UZN moieties are linked by an amide bridge to form a type II heterojunction interface, and the former serves as the hole collector, where halogen anions including Br –, Cl –, F –, and I – are directly oxidized to radicals, and the latter acts as the electron acceptor, where CO 2 is adsorbed on the exposed Zr sites of [ZrO 6 ] units and reduced to CO 2 –• radicals. The optimal PDI–UZN photocatalyst achieves an impressive propylene carbonate (PC) yield of 99.4% at a production rate of 34.1 mmol·g –1 ·h –1, with a benchmark apparent quantum efficiency of 35.9% at 400 nm. The combination of characterization results and density functional theory calculation clearly reveals that the formed Br • radicals are preferential to attacking the C–O bonds of PO adsorbed over the PDI moiety to generate C 2 H 6 –BrC–O • intermediates, which react with CO 2 –•, finally producing propylene carbonate (PC) by dehalogenation. The findings provide general guidance to design efficient photocatalysts for CO 2 fixation and green organic photosynthesis.
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