Long-Lived Triplet Excited State in a Heterogeneous Modified Carbon Nitride Photocatalyst

化学 激发态 氮化碳 光催化 电子转移 光化学 氧化还原 碳纤维 氮化物 石墨氮化碳 化学物理 原子物理学 无机化学 催化作用 材料科学 有机化学 复合材料 物理 复合数 图层(电子)
作者
Adam J. Rieth,Yangzhong Qin,Benjamin Martindale,Daniel G. Nocera
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (12): 4646-4652 被引量:85
标识
DOI:10.1021/jacs.0c12958
摘要

Heterogeneous carbon nitrides have numerous advantages as photocatalysts, including strong light absorption, tunable band edges, and scalability, but their performance and continued development are limited by fast charge recombination and an under-developed mechanistic understanding of photodriven interfacial electron transfer. These shortcomings are a result of complex photophysics, leading to rate asynchrony between oxidation and reduction, as well as redox processes driven out of electronic trap states rather than excited states. We show that a well-defined triplet excited state in cyanamide-modified carbon nitride is realized with appropriately sized particles. The utility of this long-lived excited state is demonstrated by its ability to drive a hydroamidation photoredox cycle. By the tuning of the particle size of CNx, the oxidation-reduction photochemistry of carbon nitride may be balanced to achieve a redox-neutral closed photocatalytic cycle. These results uncover a triplet excited state chemistry for appropriately sized CNx particles that preludes a rich energy and electron transfer photochemistry for these materials.
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