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Designing 1-nm-Thick MOF Nanosheets with Donor–Acceptor Complexes for Photosynthesis of H2O2 Using Water and Dioxygen Only

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作者
Yuxia Li,Yi Hu,Ho-Sub Bae,Juanshan Du,Shen Zhao,Donglai Pan,Wonyong Choi
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (42): 29233-29247 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c11606
摘要

Artificial photosynthesis of hydrogen peroxide (H2O2) presents a promising environmentally friendly alternative to the industrial anthraquinone process. This work designed ultrathin metal-organic framework (MOF) nanosheets on which porphyrin ligand as an electron donor (D) and anthraquinone (AQ) as an electron acceptor (A) are integrated as the D-A complexes. The porphyrin component allows the MOF nanosheets to absorb full-spectrum solar light while the acceptor AQ motif promotes central aluminum ion coordination, hindering layer stacking to achieve a thickness of 1.0 nm. The ultrathin D-A design facilitates the separation of electrons from the MOF skeleton to the AQ motif, which induces the direct two-electron oxygen reduction reaction (ORR) mediated by the reversible redox couple of AQ-AQH2 and multielectron water oxidation reaction (WOR) driven by holes remaining on the porphyrin part. In O2-saturated water, the ultrathin MOF nanosheets outperformed the AQ-free bulk and multilayered counterparts by 2.9 and 2.6 times in H2O2 production, respectively, achieving the apparent quantum yield of 4.8% at 420 nm. It also surpasses other benchmark photocatalysts, including the typical MOF photocatalyst, MIL-125-NH2, and organic polymeric photocatalysts. The ultrathin D-A MOF photocatalyst generated H2O2 via both two-electron ORR as a major path and two-electron WOR as a minor path. This approach presents a promising strategy for the rational design of efficient nanostructured photocatalysts for solar fuels and chemicals.
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