Engineering Single-Atom Active Sites on Covalent Organic Frameworks for Boosting CO2 Photoreduction

化学 催化作用 共价键 共价有机骨架 解吸 密度泛函理论 吸附 三嗪 光催化 选择性 合理设计 光化学 化学工程 纳米技术 物理化学 有机化学 计算化学 工程类 材料科学
作者
Lei Ran,Zhuwei Li,Bei Ran,Jiaqi Cao,Yue Zhao,Teng Shao,Yurou Song,Michael K.H. Leung,Licheng Sun,Jungang Hou
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (37): 17097-17109 被引量:201
标识
DOI:10.1021/jacs.2c06920
摘要

Solar carbon dioxide (CO2) conversion is an emerging solution to meet the challenges of sustainable energy systems and environmental/climate concerns. However, the construction of isolated active sites not only influences catalytic activity but also limits the understanding of the structure–catalyst relationship of CO2 reduction. Herein, we develop a universal synthetic protocol to fabricate different single-atom metal sites (e.g., Fe, Co, Ni, Zn, Cu, Mn, and Ru) anchored on the triazine-based covalent organic framework (SAS/Tr-COF) backbone with the bridging structure of metal–nitrogen–chlorine for high-performance catalytic CO2 reduction. Remarkably, the as-synthesized Fe SAS/Tr-COF as a representative catalyst achieved an impressive CO generation rate as high as 980.3 μmol g–1 h–1 and a selectivity of 96.4%, over approximately 26 times higher than that of the pristine Tr-COF under visible light irradiation. From X-ray absorption fine structure analysis and density functional theory calculations, the superior photocatalytic performance is attributed to the synergic effect of atomically dispersed metal sites and Tr-COF host, decreasing the reaction energy barriers for the formation of *COOH intermediates and promoting CO2 adsorption and activation as well as CO desorption. This work not only affords rational design of state-of-the-art catalysts at the molecular level but also provides in-depth insights for efficient CO2 conversion.
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