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Photoexcitation of Fe3O Nodes in MOF Drives Water Oxidation at pH=1 When Ru Catalyst Is Present

催化作用 化学 金属有机骨架 电子顺磁共振 光化学 光催化 氧化剂 漫反射红外傅里叶变换 氧化还原 电子转移 无机化学 物理化学 有机化学 核磁共振 物理 吸附
作者
Roman Ezhov,Alireza Karbakhsh Ravari,Mark C. Palenik,Alexander Loomis,Débora Motta Meira,Sergey Savikhin,Yulia Pushkar
出处
期刊:Chemsuschem [Wiley]
卷期号:16 (5) 被引量:2
标识
DOI:10.1002/cssc.202202124
摘要

Abstract Artificial photosynthesis strives to convert the energy of sunlight into sustainable, eco‐friendly solar fuels. However, systems with light‐driven water oxidation reaction (WOR) at pH=1 are rare. Broadly used [Ru(bpy) 3 ] 2+ (bpy=2,2’‐bipyridine) photosensitizer has a fixed +1.23 V potential which is insufficient to drive most water oxidation catalysts (WOCs) in acid, while Fe 2 O 3 , featuring the highly oxidizing holes, is not stable at low pH. Here, the key examples of Fe‐based metal–organic framework (MOF) water oxidation photoelectrocatalysts active at pH=1 are presented. Fe‐MIL‐126 and Fe MOF‐dcbpy structures were formed with 4,4’‐biphenyl dicarboxylate (bpdc), 2,2’‐bipyridine‐5,5’‐dicarboxylate (dcbpy) linkers and their mixtures. Presence of dcbpy linkers allows integration of metal‐based catalysts via coordination to 2,2’‐bipyridine fragments. Fe‐based MOFs were doped with Ru‐based precursors to achieve highly active MOFs bearing [Ru(bpy)(dcbpy)(H 2 O) 2 ] 2+ WOC. Materials were analyzed with X‐ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infra‐red (FTIR) spectroscopy, resonance Raman, X‐ray absorption spectroscopy, fs optical pump‐probe, electron paramagnetic resonance (EPR), diffuse reflectance and electric conductivity measurements and were modeled by band structure calculations. It is shown that under reaction conditions, Fe III and Ru III oxidation states are present, indicating rate‐limiting electron transfer in MOF. Fe 3 O nodes emerge as photosensitizers able to drive prolonged O 2 evolution in acid. Further developments are possible via MOF's linker modification for enhanced light absorption, electrical conductivity, reduced MOF solubility in acid, Ru‐WOC modification for faster WOC catalysis, or Ru‐WOC substitution to 3d metal‐based systems. The findings give further insight for development of light‐driven water splitting systems based on Earth‐abundant metals.

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