注册 English

一例整合了三联吡啶钌和卟啉锌的金属-有机框架材料用于光催化二氧化碳还原全反应

陈慧滢 ,  朱浩林 ,  廖培钦 ,  陈小明

downloadPDF
引用本文: 陈慧滢, 朱浩林, 廖培钦, 陈小明. 一例整合了三联吡啶钌和卟啉锌的金属-有机框架材料用于光催化二氧化碳还原全反应[J]. 物理化学学报, 2024, 40(4): 230604. doi: 10.3866/PKU.WHXB202306046 shu
Citation:  Hui-Ying Chen,  Hao-Lin Zhu,  Pei-Qin Liao,  Xiao-Ming Chen. Integration of Ru(II)-Bipyridyl and Zinc(II)-Porphyrin Moieties in a Metal-Organic Framework for Efficient Overall CO2 Photoreduction[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(4): 230604. doi: 10.3866/PKU.WHXB202306046 shu

一例整合了三联吡啶钌和卟啉锌的金属-有机框架材料用于光催化二氧化碳还原全反应

  • 中山大学化学学院, 生物无机与合成化学教育部重点实验室, 广州 510275

    • 通讯作者: 朱浩林,Email:zhuhlin3@mail2.sysu.edu.cn; 廖培钦,Email:liaopq3@mail.sysu.edu.cn; 陈小明,Email:cxm@mail.sysu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划(2021YFA1500401),国家自然科学基金(21890380,21821003),广东省“珠江人才计划”本土创新科研团队项目(2017BT01C161)和广东省科技创新战略专项市县科技创新支撑项目(STKJ2023078)资助

摘要: 利用源源不断的太阳能，将CO2和水转化为增值化学品，是缓解温室效应与能源危机的一种有前途的方法。由于催化体系中的不同功能性部分难以实现氧化与还原反应的耦合，使用水作为还原剂实现光催化CO2还原是一项具有挑战性的工作。金属有机框架(metal-organic framework，MOF)由于其较大的比表面积、多样化的活性位点和结构可调性，是CO2光催化还原全反应的良好备选材料。本文中，我们首先整合了具有光活性的锌(II)卟啉基元与联吡啶钌(II)基元，构建了一种MOF光催化剂，记作PCN-224(Zn)-Bpy(Ru)。为了进行比较，还合成了两种仅具有锌(II)卟啉或联吡啶钌(II)基元的同构MOF，分别记作PCN-224(Zn)-Bpy和PCN-224-Bpy(Ru)。由测试结果可知，PCN-224(Zn)-Bpy(Ru)在乙腈和水混合溶液中表现出对CO2还原可观的光催化活性(CO产率为7.6 µmol·g−1·h−1)，无需额外添加助催化剂、光敏剂或牺牲剂。通过质谱仪观测到13CO (m/z = 29)、13C18O (m/z= 31)、16O18O (m/z =34)和18O2 (m/z = 36)信号，表明CO2和H2O分别作为CO和O2的碳源和氧源，这进一步证实了光催化CO2还原与H2O氧化的耦合。然而，在相同条件下对PCN-224-Bpy(Ru)与PCN-224(Zn)-Bpy的光催化性能进行测试，CO产率分别仅为1.5与0 µmol·g−1·h−1。机理研究表明，PCN-224(Zn)-Bpy(Ru)的最低未占据分子轨道(LUMO)电位比CO2/CO的氧化还原电位更负，而最高占据分子轨道(HOMO)电位比H2O/O2的氧化还原电位更正，在热力学上满足了光催化CO2还原全反应的要求。相比之下，不含联吡啶钌(II)基元的PCN-224(Zn)-Bpy的HOMO电位更负于H2O/O2的氧化还原电位，这表明联吡啶钌(II)基元在热力学上是光催化CO2还原全反应所必需的。此外，光致发光光谱中，荧光几乎被PCN-224(Zn)-Bpy(Ru)猝灭，且平均光致发光寿命比PCN-224(Zn)-Bpy和PCN-224-Bpy(Ru)更长，这表明PCN-224中光生载流子的复合率较低。与PCN-224(Zn)-Bpy和PCN-224-Bpy(Ru)相比，PCN-224的光电流更高，这一现象也支持了中后者光生载流子的复合率较低这一结论。总而言之，在光催化CO2还原过程中，锌卟啉(II)配体既作为光敏单元，又作为CO2还原活性位点，而联吡啶钌(II)基元与锌(II)卟啉基元的结合可以优化光催化剂的能带结构，进而促进光催化CO2还原与H2O氧化的耦合，从而实现了高效光催化CO2还原全反应。

English

    1. [1]

      (1) Hansen, J.; Johnson, D.; Lacis, A.; Lebedeff, S.; Lee, P.; Rind, D.; Russell, G. Science 1981, 213, 957. doi: 10.1126/science.213.4511.957(1) Hansen, J.; Johnson, D.; Lacis, A.; Lebedeff, S.; Lee, P.; Rind, D.; Russell, G. Science 1981, 213, 957. doi: 10.1126/science.213.4511.957

    2. [2]

      (2) Mercer, J. H. Nature 1978, 271, 321. doi: 10.1038/271321a0(2) Mercer, J. H. Nature 1978, 271, 321. doi: 10.1038/271321a0

    3. [3]

      (3) Lacis, A. A.; Schmidt, G. A.; Rind, D.; Ruedy, R. A. Science 2010, 330, 356. doi: 10.1126/science.1190653(3) Lacis, A. A.; Schmidt, G. A.; Rind, D.; Ruedy, R. A. Science 2010, 330, 356. doi: 10.1126/science.1190653

    4. [4]

      (4) Li, R.; Zhang, W.; Zhou, K. Adv. Mater. 2018, 30, e1705512. doi: 10.1002/adma.201705512(4) Li, R.; Zhang, W.; Zhou, K. Adv. Mater. 2018, 30, e1705512. doi: 10.1002/adma.201705512

    5. [5]

      (5) Mertens, J.; Breyer, C.; Arning, K.; Bardow, A.; Belmans, R.; Dibenedetto, A.; Erkman, S.; Gripekoven, J.; Léonard, G.; Nizou, S.; et al. Joule 2023, 7, 442. doi: 10.1016/j.joule.2023.01.005(5) Mertens, J.; Breyer, C.; Arning, K.; Bardow, A.; Belmans, R.; Dibenedetto, A.; Erkman, S.; Gripekoven, J.; Léonard, G.; Nizou, S.; et al. Joule 2023, 7, 442. doi: 10.1016/j.joule.2023.01.005

    6. [6]

      (6) Tooru, I.; Akira, F.; Satoshi, K.; Kenichi, H. Nature 1979, 277, 637. doi: 10.1038/277637a0(6) Tooru, I.; Akira, F.; Satoshi, K.; Kenichi, H. Nature 1979, 277, 637. doi: 10.1038/277637a0

    7. [7]

      (7) Wang, Y. Q.; Zhong, Z. X.; Liu, T. K.; Liu, G. L.; Hong, X. L. Acta Phys.-Chim. Sin. 2021, 37, 2007089. [王艳秋, 钟子欣, 刘唐康, 刘国亮, 洪昕林. 物理化学学报, 2021, 37, 2007089.] doi: 10.3866/PKU.WHXB202007089

    8. [8]

      (8) Xiong, X. Y.; Mao, C. L.; Yang, Z. J.; Zhang, Q. H.; Waterhouse, G. I. N.; Gu, L.; Zhang, T. R. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2002928. doi: 10.1002/aenm.202002928(8) Xiong, X. Y.; Mao, C. L.; Yang, Z. J.; Zhang, Q. H.; Waterhouse, G. I. N.; Gu, L.; Zhang, T. R. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2002928. doi: 10.1002/aenm.202002928

    9. [9]

      (9) Lan, G. X.; Fan, Y. J.; Shi, W. J.; You, E.; Veroneau, S. S.; Lin, W. B. Nat. Catal. 2022, 5, 1006. doi: 10.1038/s41929-022-00865-5(9) Lan, G. X.; Fan, Y. J.; Shi, W. J.; You, E.; Veroneau, S. S.; Lin, W. B. Nat. Catal. 2022, 5, 1006. doi: 10.1038/s41929-022-00865-5

    10. [10]

      (10) Sun, K.; Qian, Y.; Jiang, H. L. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202217565. doi: 10.1002/anie.202217565(10) Sun, K.; Qian, Y.; Jiang, H. L. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202217565. doi: 10.1002/anie.202217565

    11. [11]

      (11) Dong, L. Z.; Zhang, L.; Liu, J.; Huang, Q.; Lu, M.; Ji, W. X.; Lan, Y. Q. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2659. doi: 10.1002/anie.201913284(11) Dong, L. Z.; Zhang, L.; Liu, J.; Huang, Q.; Lu, M.; Ji, W. X.; Lan, Y. Q. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2659. doi: 10.1002/anie.201913284

    12. [12]

      (12) Fang, Z. B.; Liu, T. T.; Liu, J.; Jin, S.; Wu, X. P.; Gong, X. Q.; Wang, K.; Yin, Q.; Liu, T. F.; Cao, R.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 12515. doi: 10.1021/jacs.0c05530(12) Fang, Z. B.; Liu, T. T.; Liu, J.; Jin, S.; Wu, X. P.; Gong, X. Q.; Wang, K.; Yin, Q.; Liu, T. F.; Cao, R.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 12515. doi: 10.1021/jacs.0c05530

    13. [13]

      (13) Huang, N. Y.; Shen, J. Q.; Zhang, X. W.; Liao, P. Q.; Zhang, J. P.; Chen, X. M. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 8676. doi: 10.1021/jacs.2c01640(13) Huang, N. Y.; Shen, J. Q.; Zhang, X. W.; Liao, P. Q.; Zhang, J. P.; Chen, X. M. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 8676. doi: 10.1021/jacs.2c01640

    14. [14]

      (14) Jiang, Z.; Xu, X.; Ma, Y.; Cho, H. S.; Ding, D.; Wang, C.; Wu, J.; Oleynikov, P.; Jia, M.; Cheng, J.; et al. Nature 2020, 586, 549. doi: 10.1038/s41586-020-2738-2(14) Jiang, Z.; Xu, X.; Ma, Y.; Cho, H. S.; Ding, D.; Wang, C.; Wu, J.; Oleynikov, P.; Jia, M.; Cheng, J.; et al. Nature 2020, 586, 549. doi: 10.1038/s41586-020-2738-2

    15. [15]

      (15) Li, X. X.; Zhang, L.; Liu, J.; Yuan, L.; Wang, T.; Wang, J. Y.; Dong, L. Z.; Huang, K.; Lan, Y. Q. JACS Au 2021, 1, 1288. doi: 10.1021/jacsau.1c00186(15) Li, X. X.; Zhang, L.; Liu, J.; Yuan, L.; Wang, T.; Wang, J. Y.; Dong, L. Z.; Huang, K.; Lan, Y. Q. JACS Au 2021, 1, 1288. doi: 10.1021/jacsau.1c00186

    16. [16]

      (16) Lu, M.; Zhang, M.; Liu, J.; Yu, T. Y.; Chang, J. N.; Shang, L. J.; Li, S. L.; Lan, Y. Q. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 1861. doi: 10.1021/jacs.1c11987(16) Lu, M.; Zhang, M.; Liu, J.; Yu, T. Y.; Chang, J. N.; Shang, L. J.; Li, S. L.; Lan, Y. Q. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 1861. doi: 10.1021/jacs.1c11987

    17. [17]

      (17) Tan, L. L.; Ong, W. J.; Chai, S. P.; Mohamed, A. R. Chem. Eng. J. 2017, 308, 248. doi: 10.1016/j.cej.2016.09.050(17) Tan, L. L.; Ong, W. J.; Chai, S. P.; Mohamed, A. R. Chem. Eng. J. 2017, 308, 248. doi: 10.1016/j.cej.2016.09.050

    18. [18]

      (18) Wu, L. Y.; Mu, Y. F.; Guo, X. X.; Zhang, W.; Zhang, Z. M.; Zhang, M.; Lu, T. B. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 9491. doi: 10.1002/anie.201904537(18) Wu, L. Y.; Mu, Y. F.; Guo, X. X.; Zhang, W.; Zhang, Z. M.; Zhang, M.; Lu, T. B. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 9491. doi: 10.1002/anie.201904537

    19. [19]

      (19) Zhang, L.; Li, R. H.; Li, X. X.; Liu, J.; Guan, W.; Dong, L. Z.; Li, S. L.; Lan, Y. Q. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2022, 119, e2210550119. doi: 10.1073/pnas.2210550119(19) Zhang, L.; Li, R. H.; Li, X. X.; Liu, J.; Guan, W.; Dong, L. Z.; Li, S. L.; Lan, Y. Q. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2022, 119, e2210550119. doi: 10.1073/pnas.2210550119

    20. [20]

      (20) Zhao, C.; Jiang, Z.; Liu, Y.; Zhou, Y.; Yin, P.; Ke, Y.; Deng, H. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 23560. doi: 10.1021/jacs.2c10687(20) Zhao, C.; Jiang, Z.; Liu, Y.; Zhou, Y.; Yin, P.; Ke, Y.; Deng, H. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 23560. doi: 10.1021/jacs.2c10687

    21. [21]

      (21) Zhou, J.; Li, J.; Kan, L.; Zhang, L.; Huang, Q.; Yan, Y.; Chen, Y.; Liu, J.; Li, S. L.; Lan, Y. Q. Nat. Commun. 2022, 13, 4681. doi: 10.1038/s41467-022-32449-z(21) Zhou, J.; Li, J.; Kan, L.; Zhang, L.; Huang, Q.; Yan, Y.; Chen, Y.; Liu, J.; Li, S. L.; Lan, Y. Q. Nat. Commun. 2022, 13, 4681. doi: 10.1038/s41467-022-32449-z

    22. [22]

      (22) Navalon, S.; Dhakshinamoorthy, A.; Alvaro, M.; Ferrer, B.; Garcia, H. Chem. Rev. 2023, 123, 445. doi: 10.1021/acs.chemrev.2c00460(22) Navalon, S.; Dhakshinamoorthy, A.; Alvaro, M.; Ferrer, B.; Garcia, H. Chem. Rev. 2023, 123, 445. doi: 10.1021/acs.chemrev.2c00460

    23. [23]

      (23) Qian, Z. P.; Zhang, R.; Xiao, Y.; Huang, H. W.; Sun, Y.; Chen, Y.; Ma, T. Y.; Sun, X. D. Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2300086. doi: 10.1002/aenm.202300086(23) Qian, Z. P.; Zhang, R.; Xiao, Y.; Huang, H. W.; Sun, Y.; Chen, Y.; Ma, T. Y.; Sun, X. D. Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2300086. doi: 10.1002/aenm.202300086

    24. [24]

      (24) Ezugwu, C. I.; Liu, S. W.; Li, C. H.; Zhuiykov, S.; Roy, S.; Verpoort, F. Coord. Chem. Rev. 2022, 450, 214245. doi: 10.1016/j.ccr.2021.214245(24) Ezugwu, C. I.; Liu, S. W.; Li, C. H.; Zhuiykov, S.; Roy, S.; Verpoort, F. Coord. Chem. Rev. 2022, 450, 214245. doi: 10.1016/j.ccr.2021.214245

    25. [25]

      (25) Mo, G. L.; Wang, Q.; Lu, W. Y.; Wang, C.; Li, P. Chin. J. Chem. 2022, 41, 335. doi: 10.1002/cjoc.202200571(25) Mo, G. L.; Wang, Q.; Lu, W. Y.; Wang, C.; Li, P. Chin. J. Chem. 2022, 41, 335. doi: 10.1002/cjoc.202200571

    26. [26]

      (26) Zhu, L. X.; Hu, F. L.; Sun, B.; Gu, S. N.; Gao, T. T.; Zhou, G. W. Adv. Sustain. Syst. 2022, 7, 2200394. doi: 10.1002/adsu.202200394(26) Zhu, L. X.; Hu, F. L.; Sun, B.; Gu, S. N.; Gao, T. T.; Zhou, G. W. Adv. Sustain. Syst. 2022, 7, 2200394. doi: 10.1002/adsu.202200394

    27. [27]

      (27) Bonin, J.; Robert, M.; Routier, M. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 16768. doi: 10.1021/ja510290t(27) Bonin, J.; Robert, M.; Routier, M. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 16768. doi: 10.1021/ja510290t

    28. [28]

      (28) Nikoloudakis, E.; Lopez-Duarte, I.; Charalambidis, G.; Ladomenou, K.; Ince, M.; Coutsolelos, A. G. Chem. Soc. Rev. 2022, 51, 6965. doi: 10.1039/d2cs00183g(28) Nikoloudakis, E.; Lopez-Duarte, I.; Charalambidis, G.; Ladomenou, K.; Ince, M.; Coutsolelos, A. G. Chem. Soc. Rev. 2022, 51, 6965. doi: 10.1039/d2cs00183g

    29. [29]

      (29) Jing, J.; Yang, J.; Li, W.; Wu, Z.; Zhu, Y. Adv. Mater. 2022, 34, e2106807. doi: 10.1002/adma.202106807(29) Jing, J.; Yang, J.; Li, W.; Wu, Z.; Zhu, Y. Adv. Mater. 2022, 34, e2106807. doi: 10.1002/adma.202106807

    30. [30]

      (30) Qian, Y.; Li, D.; Han, Y.; Jiang, H. L. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 20763. doi: 10.1021/jacs.0c09727(30) Qian, Y.; Li, D.; Han, Y.; Jiang, H. L. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 20763. doi: 10.1021/jacs.0c09727

    31. [31]

      (31) Xiong, X. Y.; Zhao, Y. F.; Shi, R.; Yin, W. J.; Zhao, Y. X.; Waterhouse, G. I. N.; Zhang, T. R. Sci. Bull. 2020, 65, 987. doi: 10.1016/j.scib.2020.03.032(31) Xiong, X. Y.; Zhao, Y. F.; Shi, R.; Yin, W. J.; Zhao, Y. X.; Waterhouse, G. I. N.; Zhang, T. R. Sci. Bull. 2020, 65, 987. doi: 10.1016/j.scib.2020.03.032

    32. [32]

      (32) Limburg, B.; Bouwman, E.; Bonnet, S. ACS Catal. 2016, 6, 5273. doi: 10.1021/acscatal.6b00107(32) Limburg, B.; Bouwman, E.; Bonnet, S. ACS Catal. 2016, 6, 5273. doi: 10.1021/acscatal.6b00107

    33. [33]

      (33) Xie, Y.; Shaffer, D. W.; Lewandowska-Andralojc, A.; Szalda, D. J.; Concepcion, J. J. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 8067. doi: 10.1002/anie.201601943(33) Xie, Y.; Shaffer, D. W.; Lewandowska-Andralojc, A.; Szalda, D. J.; Concepcion, J. J. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 8067. doi: 10.1002/anie.201601943

    34. [34]

      (34) Zhang, L.; Yuan, S.; Fan, W.; Pang, J.; Li, F.; Guo, B.; Zhang, P.; Sun, D.; Zhou, H. C. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 22390. doi: 10.1021/acsami.9b05091(34) Zhang, L.; Yuan, S.; Fan, W.; Pang, J.; Li, F.; Guo, B.; Zhang, P.; Sun, D.; Zhou, H. C. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 22390. doi: 10.1021/acsami.9b05091

    35. [35]

      (35) Sullivan, B. P.; Salmon, D. J.; Meyer, T. J. Inorg. Chem. 1977, 17, 3335. doi: 10.1021/ic50190a006(35) Sullivan, B. P.; Salmon, D. J.; Meyer, T. J. Inorg. Chem. 1977, 17, 3335. doi: 10.1021/ic50190a006

    36. [36]

      (36) Xie, P. H.; Hou, Y. J.; Zhang, B. W.; Cao, Y.; Wu, F.; Tian, W. J.; Shen, J. C. J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1999, 4217. doi: 10.1039/A907621B(36) Xie, P. H.; Hou, Y. J.; Zhang, B. W.; Cao, Y.; Wu, F.; Tian, W. J.; Shen, J. C. J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1999, 4217. doi: 10.1039/A907621B

    37. [37]

      (37) Zhang, Z. J.; Liu, H.; Xu, J. Y.; Zeng, H. B. J. Photochem. Photobiol. A 2017, 336, 25. doi: 10.1016/j.jphotochem.2016.12.020(37) Zhang, Z. J.; Liu, H.; Xu, J. Y.; Zeng, H. B. J. Photochem. Photobiol. A 2017, 336, 25. doi: 10.1016/j.jphotochem.2016.12.020

    38. [38]

      (38) Akl, A. A.; Kamal, H.; Abdel-Hady, K. Appl. Surf. Sci. 2006, 252, 8651. doi: 10.1016/j.apsusc.2005.12.001(38) Akl, A. A.; Kamal, H.; Abdel-Hady, K. Appl. Surf. Sci. 2006, 252, 8651. doi: 10.1016/j.apsusc.2005.12.001

    39. [39]

      (39) Jiao, X.; Zheng, K.; Hu, Z.; Sun, Y.; Xie, Y. ACS Cent. Sci. 2020, 6, 653. doi: 10.1021/acscentsci.0c00325(39) Jiao, X.; Zheng, K.; Hu, Z.; Sun, Y.; Xie, Y. ACS Cent. Sci. 2020, 6, 653. doi: 10.1021/acscentsci.0c00325

    40. [40]

      (40) Joshi, U. A.; Maggard, P. A. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 1577. doi: 10.1021/jz300477r(40) Joshi, U. A.; Maggard, P. A. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 1577. doi: 10.1021/jz300477r

    41. [41]

      (41) Wang, C.; Wang, S. J.; Kong, F. G. Inorg. Chem. 2021, 60, 5034. doi: 10.1021/acs.inorgchem.1c00063(41) Wang, C.; Wang, S. J.; Kong, F. G. Inorg. Chem. 2021, 60, 5034. doi: 10.1021/acs.inorgchem.1c00063

  • 加载中
WeChat 扫一扫看文章
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  349
  • HTML全文浏览量:  36
文章相关
  • 发布日期:  2023-07-20
  • 收稿日期:  2023-06-27
  • 接受日期:  2023-07-14
  • 修回日期:  2023-07-14
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章

All Rights Reserved by the Chinese Chemical Society   中国化学会 版权所有 京ICP备05002797号

本系统由北京仁和汇智信息技术有限公司开发    技术支持: info@rhhz.net