Controlling Charge-Transport in Metal–Organic Frameworks: Contribution of Topological and Spin-State Variation on the Iron–Porphyrin Centered Redox Hopping Rate

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作者
Karan Maindan,Xinlin Li,Jierui Yu,Pravas Deria
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:123 (41): 8814-8822 被引量:58
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.9b07506
摘要

Metal–organic frameworks (MOFs) are an emerging class of compositions for electro- and photoelectrocatalytic energy conversion processes. Understanding and improving the charge-transport processes within these high surface area molecular redox catalyst assemblies are critical since the charge carrier conductivity is inherently limited in MOFs. Here, we examine a series of four chemically identical but structurally different hydrolytically robust Zr IV -MOFs constructed from tetrakis(4-carboxyphenyl)porphyrinato iron(III), TCPP(Fe III ) to understand how their topological construction affects redox hopping conductivity. While a structural variation fixes center-to-center distances to define the hopping rate, we probe that altering the central metal spin-state can further tune the TCPP(Fe III/II ) reorganization energy of the self-exchange process. Significant increase in the hopping rate was observed upon axial coordination of 1-methyl imidazole (MIM), which converts a weakly halide bound high-spin (HS) TCPP(Fe III/II ) to the six-coordinated low-spin (LS) complex. Our electrochemical and resonance Raman data reveal that pore geometry that defines the Fe–Fe distance in these frameworks dictate the steric demand to accommodate two MIM-molecules, and thus, the population of LS vs HS species is a function of topology in the presence of an excess ligand.
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