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Homoleptic Al(III) Photosensitizers for Durable CO2 Photoreduction

化学 光化学 光敏剂 同音 光谱学 量子产额 荧光光谱法 超快激光光谱学 三乙醇胺 激发态 猝灭(荧光) 单重态 荧光 金属 分析化学(期刊) 有机化学 物理 核物理学 量子力学
作者
Jia‐Wei Wang,Fan Ma,Tao Jin,Piao He,Zhi‐Mei Luo,Stephan Kupfer,Michael Karnahl,Fengyi Zhao,Zihao Xu,Tao Jin,Tianquan Lian,Yong‐Liang Huang,Long Jiang,Lizhi Fu,Gangfeng Ouyang,Xiao‐Yi Yi
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (1): 676-688 被引量:40
标识
DOI:10.1021/jacs.2c11740
摘要

Exploiting noble-metal-free systems for high-performance photocatalytic CO2 reduction still presents a key challenge, partially due to the long-standing difficulties in developing potent and durable earth-abundant photosensitizers. Therefore, based on the very cheap aluminum metal, we have deployed a systematic series of homoleptic Al(III) photosensitizers featuring 2-pyridylpyrrolide ligands for CO2 photoreduction. The combined studies of steady-state and time-resolved spectroscopy as well as quantum chemical calculations demonstrate that in anerobic CH3CN solutions at room temperature, visible-light excitation of the Al(III) photosensitizers leads to an efficient population of singlet excited states with nanosecond-scale lifetimes and notable emission quantum yields (10-40%). The results of transient absorption spectroscopy further identified the presence of emissive singlet and unexpectedly nonemissive triplet excited states. More importantly, the introduction of methyl groups at the pyrrolide rings can greatly improve the visible-light absorption, reducing power, and durability of the Al(III) photosensitizers. With triethanolamine, BIH (1,3-dimethyl-2-phenyl-2,3-dihydro-1H-benzo[d]imidazole), and an Fe(II)-quaterpyridine catalyst, the most methylated Al(III) photosensitizer achieves an apparent quantum efficiency of 2.8% at 450 nm for selective (>99%) CO2-to-CO conversion, which is nearly 28 times that of the unmethylated one (0.1%) under identical conditions. The optimal system realizes a maximum turnover number of 10250 and higher robustness than the systems with Ru(II) and Cu(I) benchmark photosensitizers. Quenching experiments using fluorescence spectroscopy elucidate that the photoinduced electron transfer in the Al(III)-sensitized system follows a reductive quenching pathway. The remarkable tunability and cost efficiency of these Al(III) photosensitizers should allow them as promising components in noble-metal-free systems for solar fuel conversion.
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