Forscher verbessern die CO₂-Photoreduktion mit neuem Metall-organischen Gerüst

Die photokatalytische Umwandlung von CO2 in C2-Produkte ist ein wichtiger Prozess, um die Energiekrise zu bewältigen und Kohlenstoffneutralität zu erreichen. Die Erzeugung von C2-Produkten ist jedoch aufgrund des langsamen Mehrelektronentransferprozesses und inerter C–C-Kopplungsprozesse eine Herausforderung.

In einer Studie veröffentlicht In Angewandte Chemie Internationale AusgabeProf. Liu Tianfu vom Fujian Institute of Research on the Structure of Matter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Prof. Wu Xinping von der East China University of Science and Technology konstruierten ein Metall-organisches Gerüst (MOF) mit delokalisierten Orbitalen und schlugen eine Strategie der direkten Ladungsübertragung vor, um die Elektronenübertragung und Trenneffizienz zu verbessern und so die Leistung der photokatalytischen Reaktion zu steigern.

Die Forscher konstruierten die MOF-Verbindung (PFC-98) mit delokalisierten Orbitalen über dem Metallcluster und dem Linker in MOF, indem sie die Baueinheiten aufwendig regulierten. Sie stellten fest, dass sich die photokatalytische Leistung im isoretikulären MOF (PFC-98) deutlich verbesserte, nachdem sie einfach den 1,4-Di(1H-pyrazol-4-yl)benzol (H2DPB)-Linker durch einen elektronenarmen Linker 2,5-Di(1H-pyrazol-4-yl)thiazolo ersetzt hatten.[5,4-d]Thiazol (PyTT).

Photokatalytische Experimente zeigten, dass PFC-98 außergewöhnliche Raten von 58,14 μmol g−1 h−1 und 43,14 μmol g−1 h−1 für Acetat und Ethanol in der CO2-Gesamtreaktion aufwies und damit die katalytische Leistung der meisten bislang bekannten Materialien übertraf.

Darüber hinaus zeigten die Forscher, dass die Energieniveaus der niedrigsten unbesetzten Molekülorbitale (LUMO) des Liganden und des Clusters in PFC-98 gut aufeinander abgestimmt waren, um delokalisierte Orbitale zu bilden, die durch theoretische Berechnungen den direkten Transfer von Elektronenanregungen vom Liganden zum Metallcluster erleichtern und so den Elektronentransfer und die Trenneffizienz verbessern.

Sie bestätigten anhand spektroskopischer Untersuchungen, dass bei der Photoanregung ein langlebiger Zwischenzustand mit getrennten Ladungen auftritt, der die Lebensdauer des angeregten Zustands verlängert und die Effizienz der Elektronen-Loch-Trennung verbessert.

Darüber hinaus stellten die Forscher fest, dass die Elektronendichte auf dem Metallcluster in PFC-98 offensichtlich viel höher war als in der isoretikulären Form, was die Entstehung von C2 aus der photokatalytischen CO2-Reaktion begünstigte.

Diese Studie bietet einen neuartigen Ansatz für die photokatalytische Reduktion von CO2 zur Erzeugung von C2-Produkten.