Metal-Free Catalysis: A Redox-Active Donor–Acceptor Conjugated Microporous Polymer for Selective Visible-Light-Driven CO2 Reduction to CH4

化学 共轭微孔聚合物 催化作用 光催化 光化学 电子受体 氧化还原 接受者 电子转移 分子内力 电子供体 产量(工程) 共轭体系 微型多孔材料 聚合物 无机化学 有机化学 物理 冶金 材料科学 凝聚态物理
作者
Soumitra Barman,Ashish Singh,Faruk Ahamed Rahimi,Tapas Kumar Maji
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (39): 16284-16292 被引量:255
标识
DOI:10.1021/jacs.1c07916
摘要

Achieving more than a two-electron photochemical CO2 reduction process using a metal-free system is quite exciting and challenging, as it needs proper channeling of electrons. In the present study, we report the rational design and synthesis of a redox-active conjugated microporous polymer (CMP), TPA-PQ, by assimilating an electron donor, tris(4-ethynylphenyl)amine (TPA), with an acceptor, phenanthraquinone (PQ). The TPA-PQ shows intramolecular charge-transfer (ICT)-assisted catalytic activity for visible-light-driven photoreduction of CO2 to CH4 (yield = 32.2 mmol g–1) with an impressive rate (2.15 mmol h–1 g–1) and high selectivity (>97%). Mechanistic analysis based on experimental results, in situ DRIFTS, and computational studies reveals that the potential of TPA-PQ for catalyzing photoreduction of CO2 to CH4 was energetically driven by photoactivated ICT upon surface adsorption of CO2, wherein adjacent keto groups of PQ unit play a pivotal role. The critical role of ICT for stimulating photocatalysis is further illustrated by synthesizing another redox-active CMP (TEB-PQ), bearing triethynylbenzene (TEB) and PQ, that shows 8-fold lesser activity for photoreduction toward CO2 to CH4 (yield = 4.4 mmol g–1) as compared to TPA-PQ. The results demonstrate a novel concept for CO2 photoreduction to CH4 using an efficient, sustainable, and recyclable metal-free robust organic photocatalyst.
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