Mimicking π Backdonation in Ce-MOFs for Solar-Driven Ammonia Synthesis

材料科学 原子轨道 金属 光化学 分子 光催化 过渡金属 氨生产 配体(生物化学) 化学物理 电子 催化作用 化学 有机化学 生物化学 物理 受体 量子力学 冶金
作者
Congmin Zhang,Yanling Xu,Chade Lv,Xin Zhou,Yu Wang,Weinan Xing,Qingqiang Meng,Yi Kong,Gang Chen
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (33): 29917-29923 被引量:96
标识
DOI:10.1021/acsami.9b08682
摘要

π Backdonation is the core process to break through the kinetically complex and energetic hurdle for catalyzing effectively the NH3 synthesis but only occurs on certain transition metals with empty and filled d orbitals. Herein, mimicking π backdonation enables MOF-76(Ce) materials to convert N2/NH3 effectively. Note that, by virtue of the intrinsic mechanism of ligand-to-metal charge transfer, metal cerium species in MOF-76(Ce) serve as an electron sink for accumulating the photogenerated electrons. Taken together, experimental and theoretical analyses reveal that such metal cerium species with coordination unsaturated state (Ce-CUS) on a MOF-76(Ce) nanorod surface can also provide unoccupied and occupied 4f orbitals to accept from and then donate electrons back to nitrogen molecules. Remarkably, it shows outstanding photocatalytic nitrogen reduction performance with high average NH3 yield (34 μmol g-1 h-1) under ambient conditions. This work provides fresh insights into rational designing and engineering highly active catalysts with rare earth elements.

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