Symmetry-Breaking Charge Transfer in Metal–Organic Frameworks

化学 电荷(物理) 金属有机骨架 对称性破坏 对称(几何) 化学物理 传输(计算) 金属 量子力学 有机化学 物理 几何学 数学 吸附 并行计算 计算机科学
作者
Sreehari Surendran Rajasree,H. Christopher Fry,David J. Gosztola,Bapan Saha,Riya Krishnan,Pravas Deria
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (8): 5543-5549
标识
DOI:10.1021/jacs.3c13764
摘要

High quantum-yield charge carrier generation from the initially prepared excitons defines a key step in the light-harvesting and conversion scheme. Photoinduced charge transfer in molecular electron donor–acceptor assemblies is driven by a sizable ΔG0, which compromises the potential of the generated carriers. Reminiscent of the special pair at the reaction center of the natural light-harvesting complex, symmetry-breaking charge transfer (SBCT) within a pair of identical struts of metal−organic framework (MOF) will facilitate the efficient generation of long-lived charge carriers with maximized potentials without incorporating any foreign redox species. We report SBCT in pyrene-based zirconium metal–organic framework (MOF) NU-1000 that leads to efficient generation of radical ions in a polar solvent and bound CT states in a low-polar solvent. The probe unveils the role of the low-lying non-Franck–Condon excitonic states as intermediates in the formation of the SBCT state from the initially prepared Franck–Condon S1 states. Ultrafast and transient spectroscopy─probed over 200 fs-30 μs time scale─evinces a kSBCT = (110 ps)−1 in polar media (εs = 37.5) forming solvated radical ions with recombination rate kCR = (∼45 ns)−1. A slower rate with kSBCT = (203 ps)−1 was recorded in low-polar (εs = 7.0) solvent manifesting a bound [TBAPy•+ TBAPy•–] state with kCR ≈ (17 μs)−1. This discovery, along with other unique photophysical features relevant to light harvesting, should define a MOF-based platform for developing heterogeneous artificial photon energy conversion systems.
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