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Metal‐Free Photocatalytic CO 2 Reduction to Formate Driven by Visible Light via a Consecutive Photoinduced Electron Transfer Mechanism

光化学 格式化 光催化 可见光谱 电子转移 光诱导电子转移 化学 抗坏血酸 超快激光光谱学 吸收(声学) 材料科学 离子 电子供体 吸收光谱法 电子受体 甲酸 甲酸钠 反应机理 反应中间体 纳米颗粒 单电子还原 自由基离子
作者
Xianjun Yin,Jingjie Hu,Heng Wu,Cui Xu,B C Liu,Hui‐Qing Peng
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:138 (27)
标识
DOI:10.1002/ange.1083625
摘要

ABSTRACT Realizing efficient and selective photocatalytic CO 2 reduction (PCO 2 R) using metal‐free organic systems under visible light remains a significant challenge. Here, we report the first metal‐free, self‐sensitized molecular photocatalyst capable of driving visible‐light‐induced CO 2 ‐to‐HCOO − conversion via a consecutive photoinduced electron transfer (ConPET) mechanism. The rationally designed BPI‐OMe, featuring an electron‐donating group, demonstrates exceptional performance under visible light irradiation, achieving a formate production rate of 27.51 mmol g −1 h −1 with > 99% selectivity. This outstanding activity stems from its optimized electronic properties: a low excitation energy (2.98 eV), a long‐lived charge‐separated anion radical state ( τ = 806.94 ns), a high‐energy SOMO level (−3.47 eV), and strong CO 2 binding affinity (−0.147 eV). In situ ESR and ultrafast spectroscopic analyses reveal the ConPET process: sequential photon absorption enables electron transfer from ascorbic acid to BPI‐OMe, generating BPI‐OMe, followed by electron delivery to CO 2 to form CO 2 − , which is subsequently converted to formate through a hydrogen atom transfer. This work not only represents a breakthrough in metal‐free PCO2R but also provides a general molecular design strategy based on multi‐photon charge accumulation for enabling challenging solar‐to‐chemical transformations.

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