Product Control in Visible-Light-Driven CO2 Reduction by Switching Metal Centers of Binuclear Catalysts: Difference between revisions

From ChemWiki
No edit summary
No edit summary
Line 26: Line 26:
=== Catalysts tested in this study ===
=== Catalysts tested in this study ===


<chemform smiles="" inchi="" inchikey="" height="200px" width="300px" float="none" margin="0px 0px 0px 0px">
  ChemDraw04092515222D
50 62  0  0  0  0  0  0  0  0999 V2000
  -0.7145    1.6237    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  -0.7145    0.7987    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    0.0000    0.3862    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    0.7145    0.7987    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    0.7145    1.6237    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    0.0000    2.0362    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    0.0000  -0.4388    0.0000 S  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  -0.7969  -0.6523    0.0000 Co  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    0.7969  -0.6523    0.0000 Co  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    1.4289    0.3862    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  -1.4289    0.3862    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    2.1434    0.7987    0.0000 N  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  -2.1434    0.7987    0.0000 N  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  -2.1434    1.6237    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  -2.8579    0.3862    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  -2.8579    2.0362    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  -2.8579    2.8612    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  -3.5724    3.2737    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  -4.2868    2.8612    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  -4.2868    2.0362    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  -3.5724    1.6237    0.0000 N  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    2.1434    1.6237    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    2.8579    0.3862    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    2.8579    2.0362    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    3.5724    1.6237    0.0000 N  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    4.2868    2.0362    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    4.2868    2.8612    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    3.5724    3.2737    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    2.8579    2.8612    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    0.0000    2.8612    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  -2.8579  -0.4388    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    2.8579  -0.4388    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  -3.5724  -0.8513    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  -3.5724  -1.6763    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  -2.8579  -2.0888    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  -2.1434  -1.6763    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  -2.1434  -0.8513    0.0000 N  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    2.1434  -0.8513    0.0000 N  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    2.1434  -1.6763    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    2.8579  -2.0888    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    3.5724  -1.6763    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    3.5724  -0.8513    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  -0.5908  -1.4099    0.0000 O  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    0.1237  -1.8224    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    0.8381  -1.4099    0.0000 O  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    0.1237  -2.6474    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  -0.7869  -2.0362    0.0000 O  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  -0.0725  -2.4487    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    0.6420  -2.0362    0.0000 O  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  -0.0725  -3.2737    0.0000 C  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  1  2  2  0        0
  2  3  1  0        0
  3  4  2  0        0
  4  5  1  0        0
  5  6  2  0        0
  6  1  1  0        0
  3  7  1  0        0
  7  8  1  0        0
  7  9  1  0        0
  4 10  1  0        0
  2 11  1  0        0
10 12  1  0        0
11 13  1  0        0
13 14  1  0        0
13 15  1  0        0
14 16  1  0        0
16 17  2  0        0
17 18  1  0        0
18 19  2  0        0
19 20  1  0        0
20 21  2  0        0
21 16  1  0        0
12 22  1  0        0
12 23  1  0        0
22 24  1  0        0
24 25  2  0        0
25 26  1  0        0
26 27  2  0        0
27 28  1  0        0
28 29  2  0        0
29 24  1  0        0
  6 30  1  0        0
15 31  1  0        0
23 32  1  0        0
31 33  2  0        0
33 34  1  0        0
34 35  2  0        0
35 36  1  0        0
36 37  2  0        0
37 31  1  0        0
32 38  2  0        0
38 39  1  0        0
39 40  2  0        0
40 41  1  0        0
41 42  2  0        0
42 32  1  0        0
  8 37  1  0        0
  9 38  1  0        0
43 44  4  0        0
44 45  4  0        0
44 46  1  0        0
  8 43  1  0        0
  9 45  1  0        0
47 48  4  0        0
48 49  4  0        0
48 50  1  0        0
  8 47  1  0        0
  9 49  1  0        0
21  8  1  0        0
13  8  1  0        0
12  9  1  0        0
25  9  1  0        0
M  END
</chemform>
* '''CoCo''': Co₂(MeL-S)(OAc)₂
* '''CoCo''': Co₂(MeL-S)(OAc)₂
** Yields CO (TON = 6188, 96% selectivity)
** Yields CO (TON = 6188, 96% selectivity)

Revision as of 15:25, 9 April 2025


Abstract

The paper presents a strategy to control product selectivity in visible-light-driven CO₂ reduction by switching the metal centers in binuclear molecular catalysts. Two catalysts were developed: Co₂(MeL-S)(OAc)₂ (CoCo) and Cu₂(MeL-S)(H₂O)₂·2H₂O (CuCu). CoCo selectively produces CO (96% selectivity, TON = 6188), while CuCu selectively forms HCOOH (98% selectivity, TON = 7540). The distinct selectivities are attributed to structural and electronic differences, particularly the presence of a 3-center-4-electron (3c-4e⁻) Cu···H···Cu bond in CuCu.

Summary

This study demonstrates that switching the metal centers in sulfur-bridged binuclear catalysts enables precise control over CO₂ reduction products under visible light. CoCo favors CO formation, while CuCu favors HCOOH production. The catalysts are stable in aqueous media and work efficiently with non-noble metals, offering a sustainable approach to CO₂ valorization. Mechanistic insights via DFT and spectroscopy validate the influence of metal identity on electron transfer pathways and product outcomes.

Additional Remarks

  • Both catalysts function in water-containing (CH₃CN/H₂O, 4/1) systems.
  • The study highlights the importance of metal–ligand cooperation and electronic structure in achieving product selectivity.
  • This approach mimics biological enzymes like CODH and FDH.
  • Photocatalytic efficiency is influenced not only by the metal center but also by the sacrificial electron donor and solvent environment.

Content of the Published Article in Detail

  • Introduction: Emphasizes challenges in selective CO₂ photoreduction and the potential of non-noble metal catalysts.
  • Catalyst Design: Two bioinspired binuclear complexes (CoCo and CuCu) were synthesized using a sulfur-bridged N₆S-type ligand.
  • Photocatalysis: Under visible light, CoCo converts CO₂ to CO with high selectivity, while CuCu yields HCOOH. Product selectivity is influenced by metal type.
  • Mechanism: DFT and experimental data show that CuCu promotes HCOOH via a 3c-4e⁻ bond facilitating hydride transfer; CoCo lacks this interaction due to a greater metal–metal distance.

Catalysts tested in this study

  • CoCo: Co₂(MeL-S)(OAc)₂
    • Yields CO (TON = 6188, 96% selectivity)
  • CuCu: Cu₂(MeL-S)(H₂O)₂·2H₂O
    • Yields HCOOH (TON = 7540, 98% selectivity)

Photosensitizer

[Ru(phen)3][PF6]2

  • Ru(phen)₃₂ (Ru-PS)
  • In some experiments: [Ru(bpy)₃]Cl₂
  • Role: Transfers electrons upon light excitation to the catalyst.

Investigation

  • EPR, XPS, CV, DPV, and DFT used for electronic and structural analysis.
  • 13CO₂ isotope labeling confirmed CO and HCOOH originate from CO₂.
  • Control experiments proved the need for each component (light, PS, catalyst, CO₂, reductant).
  • Mechanism: CoCo goes via CO₂ coordination, while CuCu facilitates hydrogenation first, enabled by Cu···Cu proximity and electron delocalization.

Further Information

  • Catalysts are stable under reaction conditions for over 10 h.
  • Deactivation is primarily due to photosensitizer degradation.
  • Reaction can be restarted by adding fresh Ru-PS.
  • Linear relationship observed between catalyst concentration and HCOOH production for CuCu.

Sacrificial electron donor

  • CoCo: Best performance with TEOA (triethanolamine)
  • CuCu: Best performance with TEA (triethylamine)
  • Others tested: BINH, VCNa, but with lower efficiency.

Additives

  • CH₃COONa: Investigated for its influence on redox behavior.
  • Solvent system: CH₃CN/H₂O (4:1 v/v) optimized for activity.
  • Hg⁰ poisoning test: Confirmed molecular (not colloidal) catalysis.