Stable Bimetallic Polyphthalocyanine Covalent Organic Frameworks as Superior Electrocatalysts

双金属片 化学 堆积 共价键 选择性 催化作用 电子转移 共价有机骨架 法拉第效率 水溶液 组合化学 亲核取代 化学工程 亲核芳香族取代 电极 电化学 纳米技术 有机化学 物理化学 工程类 材料科学
作者
Yan Yue,Peiyu Cai,Kai Xu,Hanying Li,Hongzheng Chen,Hong‐Cai Zhou,Ning Huang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (43): 18052-18060 被引量:250
标识
DOI:10.1021/jacs.1c06238
摘要

The development of highly stable covalent organic frameworks (COFs) is extremely compelling for their implementation in practical application. In this work, we rationally designed and synthesized new kinds of ultrastable bimetallic polyphthalocyanine COFs, which are constructed with the dioxin linkage through the nucleophilic aromatic substitution between octahydroxylphthalocyanine and hexadecafluorophthalocyanine. The resulting bimetallic CuPcF8-CoPc-COF and CuPcF8-CoNPc-COF exhibited strong robustness under harsh conditions. The eclipsed stacking mode of metallophthalocyanine units supplies a high-speed pathway for electron transfer. With these structural advantages, both COFs displayed considerable activity, selectivity, and stability toward electrocatalytic CO2 reduction in an aqueous system. Notably, CuPcF8-CoNPc-COF showed a faradaic efficiency of 97% and an exceptionally high turnover frequency of 2.87 s–1, which is superior to most COF-based electrocatalysts. Furthermore, the catalytic mechanism was well demonstrated by using a theoretical calculation. This work not only expanded the variety of dioxin-linked COFs, but also constituted a new step toward their practical use in carbon cycle.
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