Self-adaptive dual-metal-site pairs in metal-organic frameworks for selective CO2 photoreduction to CH4

选择性 试剂 金属有机骨架 金属 催化作用 光催化 密度泛函理论 化学 活动站点 光化学 组合化学 计算化学 有机化学 吸附
作者
Jian Li,Hongliang Huang,Wenjuan Xue,Kang Sun,Xiaohui Song,Chunrui Wu,Lei Nie,Yang Li,Chengyuan Liu,Yang Pan,Hai‐Long Jiang,Donghai Mei,Chongli Zhong
出处
期刊:Nature Catalysis [Nature Portfolio]
卷期号:4 (8): 719-729 被引量:698
标识
DOI:10.1038/s41929-021-00665-3
摘要

Solar-light-driven reduction of CO2-to-CH4 is a complex process involving multiple elementary reactions and various by-products. Achieving high CH4 activity and selectivity therefore remain a significant challenge. Here we show a bioinspired photocatalyst with flexible dual-metal-site pairs (DMSPs), which exhibit dynamic self-adaptive behaviour to fit mutative C1 intermediates, achieving CO2-to-CH4 photoreduction. The Cu and Ni DMSPs in their respective single-site forms under flexible microenvironment are incorporated into a metal-organic framework (MOF) to afford MOF-808-CuNi. This dramatically boosts CH4 selectivity up to 99.4% (electron basis) and 97.5% (product basis), and results in a high production rate of 158.7 μmol g−1 h−1 with a sacrificial reagent. Density functional theory calculations reveal that the flexible self-adaptive DMSPs can stabilize various C1 intermediates in multistep elementary reactions, leading to highly selective CO2-to-CH4 process. This work demonstrates that efficient and selective heterogeneous catalytic processes can be achieved by stabilizing reaction intermediates via the self-adaptive DMSP mechanism.
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