We report a study of chromophore-catalyst assemblies composed of light harvesting hexabenzocoronene (HBC) chromophores axially coordinated to two cobaloxime complexes. The chromophore-catalyst assemblies were prepared using bottom-up synthetic methodology and characterized using solid-state NMR, IR, and x-ray absorption spectroscopy. Detailed steady-state and time-resolved laser spectroscopy was utilized to identify the photophysical properties of the assemblies, coupled with time-dependent DFT calculations to characterize the relevant excited states. The HBC chromophores tend to assemble into aggregates that exhibit high exciton diffusion length (D = 18.5 molecule2/ps), indicating that over 50 chromophores can be sampled within their excited state lifetime. We find that the axial coordination of cobaloximes leads to a significant reduction in the excited state lifetime of the HBC moiety, and this finding was discussed in terms of possible electron and energy transfer pathways. By comparing the experimental quenching rate constant (1.0 × 109 s−1) with the rate constant estimates for Marcus electron transfer (5.7 × 108 s−1) and Förster/Dexter energy transfers (8.1 × 106 s−1 and 1.0 × 1010 s−1), we conclude that both Dexter energy and Marcus electron transfer process are possible deactivation pathways in CoQD-A. No charge transfer or energy transfer intermediate was detected in transient absorption spectroscopy, indicating fast, subpicosecond return to the ground state. These results provide important insights into the factors that control the photophysical properties of photocatalytic chromophore-catalyst assemblies.

1.
T. M.
McCormick
,
B. D.
Calitree
,
A.
Orchard
,
N. D.
Kraut
,
F. V.
Bright
,
M. R.
Detty
, and
R.
Eisenberg
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
15480
(
2010
).
2.
A.
Fihri
,
V.
Artero
,
M.
Razavet
,
C.
Baffert
,
W.
Leibl
, and
M.
Fontecave
,
Angew. Chem., Int. Ed.
47
,
564
(
2008
).
3.
P.
Zhang
,
M.
Wang
,
J.
Dong
,
X.
Li
,
F.
Wang
,
L.
Wu
, and
L.
Sun
,
J. Phys. Chem. C
114
,
15868
(
2010
).
4.
J.
Bartelmess
,
A. J.
Francis
,
K. A.
El Roz
,
F. N.
Castellano
,
W. W.
Weare
, and
R. D.
Sommer
,
Inorg. Chem.
53
,
4527
(
2014
).
5.
A. S.
Weingarten
,
R. V.
Kazantsev
,
L. C.
Palmer
,
M.
McClendon
,
A. R.
Koltonow
,
A. P. S.
Samuel
,
D. J.
Kiebala
,
M. R.
Wasielewski
, and
S. I.
Stupp
,
Nat. Chem.
6
,
964
(
2014
).
6.
J. L.
Dempsey
,
J. R.
Winkler
, and
H. B.
Gray
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
1060
(
2010
).
7.
J. L.
Dempsey
,
J. R.
Winkler
, and
H. B.
Gray
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
16774
(
2010
).
8.
R. S.
Khnayzer
,
V. S.
Thoi
,
M.
Nippe
,
A. E.
King
,
J. W.
Jurss
,
K. A.
El Roz
,
J. R.
Long
,
C. J.
Chang
, and
F. N.
Castellano
,
Energy Environ. Sci.
7
,
1477
(
2014
).
9.
A.
Kahnt
,
K.
Peuntinger
,
C.
Dammann
,
T.
Drewello
,
R.
Hermann
,
S.
Naumov
,
B.
Abel
, and
D. M.
Guldi
,
J. Phys. Chem. A
118
,
4382
(
2014
).
10.
G.
Smolentsev
,
A. A.
Guda
,
M.
Janousch
,
C.
Frieh
,
G.
Jud
,
F.
Zamponi
,
M.
Chavarot-Kerlidou
,
V.
Artero
,
J. A.
van Bokhoven
, and
M.
Nachtegaal
,
Faraday Discuss.
171
,
259
(
2014
).
11.
D.
Moonshiram
,
C.
Gimbert-Suriñach
,
A.
Guda
,
A.
Picon
,
C. S.
Lehmann
,
X.
Zhang
,
G.
Doumy
,
A. M.
March
,
J.
Benet-Buchholz
,
A.
Soldatov
,
A.
Llobet
, and
S. H.
Southworth
,
J. Am. Chem. Soc.
138
,
10586
(
2016
).
12.
G.
Smolentsev
,
M. A.
Soldatov
,
B.
Probst
,
C.
Bachmann
,
N.
Azzaroli
,
R.
Alberto
,
M.
Nachtegaal
, and
J. A.
van-Bokhoven
,
ChemSusChem
11
,
3087
(
2018
).
13.
G.
Smolentsev
,
B.
Cecconi
,
A.
Guda
,
M.
Chavarot-Kerlidou
,
J. A.
van-Bokhoven
,
M.
Nachtegaal
, and
V.
Artero
,
Chem. - Eur. J.
21
,
15158
(
2015
).
14.
K. L.
Mulfort
and
D. M.
Tiede
,
J. Phys. Chem. B
114
,
14572
(
2010
).
15.
J.
Huang
,
K. L.
Mulfort
,
P.
Du
, and
L. X.
Chen
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
16472
(
2012
).
16.
K.
Peuntinger
,
T.
Lazarides
,
D.
Dafnomili
,
G.
Charalambidis
,
G.
Landrou
,
A.
Kahnt
,
R. P.
Sabatini
,
D. W.
McCamant
,
D. T.
Gryko
,
A. G.
Coutsolelos
, and
D. M.
Guldi
,
J. Phys. Chem. C
117
,
1647
(
2013
).
17.
S. E.
Canton
,
X.
Zhang
,
J.
Zhang
,
T. B.
van Driel
,
K. S.
Kjaer
,
K.
Haldrup
,
P.
Chabera
,
T.
Harlang
,
K.
Suarez-Alcantara
,
Y.
Liu
,
J.
Pérez
,
A.
Bordage
,
M.
Pápai
,
G.
Vankó
,
G.
Jennings
,
C. A.
Kurtz
,
M.
Rovezzi
,
P.
Glatzel
,
G.
Smolentsev
,
J.
Uhlig
,
A. O.
Dohn
,
M.
Christensen
,
A.
Galler
,
W.
Gawelda
,
C.
Bressler
,
H. T.
Lemke
,
K. B.
Møller
,
M. M.
Nielsen
,
R.
Lomoth
,
K.
Wärnmark
, and
V.
Sundström
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
1972
(
2013
).
18.
B. S.
Veldkamp
,
W.-S.
Han
,
S. M.
Dyar
,
S. W.
Eaton
,
M. A.
Ratner
, and
M. R.
Wasielewski
,
Energy Environ. Sci.
6
,
1917
(
2013
).
19.
A.
Mukherjee
,
O.
Kokhan
,
J.
Huang
,
J.
Niklas
,
L. X.
Chen
,
D. M.
Tiede
, and
K. L.
Mulfort
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
21070
(
2013
).
20.
X.
Yan
,
B.
Li
, and
L.-s.
Li
,
Acc. Chem. Res.
46
,
2254
(
2013
).
21.
Y.
Yan
,
J.
Chen
,
N.
Li
,
J.
Tian
,
K.
Li
,
J.
Jiang
,
J.
Liu
,
Q.
Tian
, and
P.
Chen
,
ACS Nano
12
,
3523
(
2018
).
22.
S.
Castro-Fernández
,
C. M.
Cruz
,
I. F. A.
Mariz
,
I. R.
Márquez
,
V. G.
Jiménez
,
L.
Palomino-Ruiz
,
J. M.
Cuerva
,
E.
Maçôas
, and
A. G.
Campaña
,
Angew. Chem., Int. Ed.
59
,
7139
(
2020
).
23.
A.
Narita
,
X.
Feng
,
Y.
Hernandez
,
S. A.
Jensen
,
M.
Bonn
,
H.
Yang
,
I. A.
Verzhbitskiy
,
C.
Casiraghi
,
M. R.
Hansen
,
A. H. R.
Koch
,
G.
Fytas
,
O.
Ivasenko
,
B.
Li
,
K. S.
Mali
,
T.
Balandina
,
S.
Mahesh
,
S.
De Feyter
, and
K.
Müllen
,
Nat. Chem.
6
,
126
(
2014
).
24.
J. P.
Hill
,
W.
Jin
,
A.
Kosaka
,
T.
Fukushima
,
H.
Ichihara
,
T.
Shimomura
,
K.
Ito
,
T.
Hashizume
,
N.
Ishii
, and
T.
Aida
,
Science
304
,
1481
(
2004
).
25.
Y.
Yamamoto
,
T.
Fukushima
,
Y.
Suna
,
N.
Ishii
,
A.
Saeki
,
S.
Seki
,
S.
Tagawa
,
M.
Taniguchi
,
T.
Kawai
, and
T.
Aida
,
Science
314
,
1761
(
2006
).
26.
W.
Zhang
,
W.
Jin
,
T.
Fukushima
,
A.
Saeki
,
S.
Seki
, and
T.
Aida
,
Science
334
,
340
(
2011
).
27.
J.-S.
Qin
,
S.
Yuan
,
L.
Zhang
,
B.
Li
,
D.-Y.
Du
,
N.
Huang
,
W.
Guan
,
H. F.
Drake
,
J.
Pang
,
Y.-Q.
Lan
,
A.
Alsalme
, and
H.-C.
Zhou
,
J. Am. Chem. Soc.
141
,
2054
(
2019
).
28.
J.
Urieta-Mora
,
M.
Krug
,
W.
Alex
,
J.
Perles
,
I.
Fernández
,
A.
Molina-Ontoria
,
D. M.
Guldi
, and
N.
Martín
,
J. Am. Chem. Soc.
142
,
4162
(
2020
).
29.
T.
Umeyama
,
T.
Hanaoka
,
H.
Yamada
,
Y.
Namura
,
S.
Mizuno
,
T.
Ohara
,
J.
Baek
,
J.
Park
,
Y.
Takano
,
K.
Stranius
,
N. V.
Tkachenko
, and
H.
Imahori
,
Chem. Sci.
10
,
6642
(
2019
).
30.
A. B. S.
Elliott
,
R.
Horvath
,
X.-Z.
Sun
,
M. G.
Gardiner
,
K.
Müllen
,
N. T.
Lucas
,
M. W.
George
, and
K. C.
Gordon
,
Inorg. Chem.
55
,
4710
(
2016
).
31.
X.
Qiao
,
Q.
Li
,
R. N.
Schaugaard
,
B. W.
Noffke
,
Y.
Liu
,
D.
Li
,
L.
Liu
,
K.
Raghavachari
, and
L.-s.
Li
,
J. Am. Chem. Soc.
139
,
3934
(
2017
).
32.
V.
Singh
,
M. R.
Zoric
,
G. N.
Hargenrader
,
A. J. S.
Valentine
,
O.
Zivojinovic
,
D. R.
Milic
,
X.
Li
, and
K. D.
Glusac
,
J. Phys. Chem. Lett.
11
,
210
(
2020
).
33.
M. R.
Zoric
,
V.
Singh
,
S.
Warren
,
S.
Plunkett
,
R. R.
Khatmullin
,
B. P.
Chaplin
, and
K. D.
Glusac
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
,
46303
(
2019
).
34.
M.
Newville
,
J. Synchrotron Radiat.
8
,
96
(
2001
).
35.
B.
Ravel
and
M.
Newville
,
J. Synchrotron Radiat.
12
,
537
(
2005
).
36.
G. N.
Hargenrader
,
R. B.
Weerasooriya
,
S.
Ilic
,
J.
Niklas
,
O. G.
Poluektov
, and
K. D.
Glusac
,
ACS Appl. Energy Mater.
2
,
80
(
2019
).
37.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
G.
Scalmani
,
V.
Barone
,
G. A.
Petersson
,
H.
Nakatsuji
,
X.
Li
,
M.
Caricato
,
A. V.
Marenich
,
J.
Bloino
,
B. G.
Janesko
,
R.
Gomperts
,
B.
Mennucci
,
H. P.
Hratchian
,
J. V.
Ortiz
,
A. F.
Izmaylov
,
J. L.
Sonnenberg
,
Williams
,
F.
Ding
,
F.
Lipparini
,
F.
Egidi
,
J.
Goings
,
B.
Peng
,
A.
Petrone
,
T.
Henderson
,
D.
Ranasinghe
,
V. G.
Zakrzewski
,
J.
Gao
,
N.
Rega
,
G.
Zheng
,
W.
Liang
,
M.
Hada
,
M.
Ehara
,
K.
Toyota
,
R.
Fukuda
,
J.
Hasegawa
,
M.
Ishida
,
T.
Nakajima
,
Y.
Honda
,
O.
Kitao
,
H.
Nakai
,
T.
Vreven
,
K.
Throssell
,
J. A.
Montgomery
, Jr.
,
J. E.
Peralta
,
F.
Ogliaro
,
M. J.
Bearpark
,
J. J.
Heyd
,
E. N.
Brothers
,
K. N.
Kudin
,
V. N.
Staroverov
,
T. A.
Keith
,
R.
Kobayashi
,
J.
Normand
,
K.
Raghavachari
,
A. P.
Rendell
,
J. C.
Burant
,
S. S.
Iyengar
,
J.
Tomasi
,
M.
Cossi
,
J. M.
Millam
,
M.
Klene
,
C.
Adamo
,
R.
Cammi
,
J. W.
Ochterski
,
R. L.
Martin
,
K.
Morokuma
,
O.
Farkas
,
J. B.
Foresman
, and
D. J.
Fox
, Gaussian 16, Revision B.01, Wallingford, CT, 2016.
38.
P. J.
Hay
and
W. R.
Wadt
,
J. Chem. Phys.
82
,
270
(
1985
).
39.
T.
Yanai
,
D. P.
Tew
, and
N. C.
Handy
,
Chem. Phys. Lett.
393
,
51
(
2004
).
40.
A. J.
Atkins
,
F.
Talotta
,
L.
Freitag
,
M.
Boggio-Pasqua
, and
L.
González
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
4123
(
2017
).
41.
J.
Tomasi
and
M.
Persico
,
Chem. Rev.
94
,
2027
(
1994
).
42.
H. B. S. M. J.
Frisch
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
G.
Scalmani
,
V.
Barone
,
B.
Mennucci
,
G. A.
Petersson
,
H.
Nakatsuji
,
M.
Caricato
,
X.
Li
,
H. P.
Hratchian
,
A. F.
Izmaylov
,
J.
Bloino
,
G.
Zheng
,
J. L.
Sonnenberg
,
M.
Hada
,
M.
Ehara
,
K.
Toyota
,
R.
Fukuda
,
J.
Hasegawa
,
M.
Ishida
,
T.
Nakajima
,
Y.
Honda
,
O.
Kitao
,
H.
Nakai
,
T.
Vreven
,
J. A.
Montgomery
, Jr.
,
J. E.
Peralta
,
F.
Ogliaro
,
M.
Bearpark
,
J. J.
Heyd
,
E.
Brothers
,
K. N.
Kudin
,
V. N.
Staroverov
,
R.
Kobayashi
,
J.
Normand
,
K.
Raghavachari
,
A.
Rendell
,
J. C.
Burant
,
S. S.
Iyengar
,
J.
Tomasi
,
M.
Cossi
,
N.
Rega
,
J. M.
Millam
,
M.
Klene
,
J. E.
Knox
,
J. B.
Cross
,
V.
Bakken
,
C.
Adamo
,
J.
Jaramillo
,
R.
Gomperts
,
R. E.
Stratmann
,
O.
Yazyev
,
A. J.
Austin
,
R.
Cammi
,
C.
Pomelli
,
J. W.
Ochterski
,
R. L.
Martin
,
K.
Morokuma
,
V. G.
Zakrzewski
,
G. A.
Voth
,
P.
Salvador
,
J. J.
Dannenberg
,
S.
Dapprich
,
A. D.
Daniels
,
Ö.
Farkas
,
J. B.
Foresman
,
J. V.
Ortiz
,
J.
Cioslowski
, and
D. J.
Fox
, Gaussian 09, Wallingford, CT, 2009.
43.
A. D.
Becke
,
Phys. Rev. A
38
,
3098
(
1988
).
44.
C.
Lee
,
W.
Yang
, and
R. G.
Parr
,
Phys. Rev. B
37
,
785
(
1988
).
45.
See https://cccbdb.nist.gov/vibscalejust.asp for the B3LYP method and 6-311G* basis set.
46.
S.
Ito
,
M.
Wehmeier
,
J. D.
Brand
,
C.
Kübel
,
R.
Epsch
,
J. P.
Rabe
, and
K.
Müllen
,
Chem. - Eur. J.
6
,
4327
(
2000
).
47.
N.
Miyaura
and
A.
Suzuki
,
Chem. Rev.
95
,
2457
(
1995
).
48.
M.
Grzybowski
,
K.
Skonieczny
,
H.
Butenschön
, and
D. T.
Gryko
,
Angew. Chem., Int. Ed.
52
,
9900
(
2013
).
49.
M.
Razavet
,
V.
Artero
, and
M.
Fontecave
,
Inorg. Chem.
44
,
4786
(
2005
).
50.
M. A. W.
Lawrence
,
M. J.
Celestine
,
E. T.
Artis
,
L. S.
Joseph
,
D. L.
Esquivel
,
A. J.
Ledbetter
,
D. M.
Cropek
,
W. L.
Jarrett
,
C. A.
Bayse
,
M. I.
Brewer
, and
A. A.
Holder
,
Dalton Trans.
45
,
10326
(
2016
).
51.
D. M.
Cropek
,
A.
Metz
,
A. M.
Müller
,
H. B.
Gray
,
T.
Horne
,
D. C.
Horton
,
O.
Poluektov
,
D. M.
Tiede
,
R. T.
Weber
,
W. L.
Jarrett
,
J. D.
Phillips
, and
A. A.
Holder
,
Dalton Trans.
41
,
13060
(
2012
).
52.
F. M. F.
de Groot
,
M.
Abbate
,
J. v.
Elp
,
G. A.
Sawatzky
,
Y. J.
Ma
,
C. T.
Chen
, and
F.
Sette
,
J. Phys.:Condens. Matter
5
,
2277
(
1993
).
53.
C. F.
Chang
,
Z.
Hu
,
H.
Wu
,
T.
Burnus
,
N.
Hollmann
,
M.
Benomar
,
T.
Lorenz
,
A.
Tanaka
,
H. J.
Lin
,
H. H.
Hsieh
,
C. T.
Chen
, and
L. H.
Tjeng
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
116401
(
2009
).
54.
M.
Erdem-Tuncmen
and
F.
Karipcin
,
J. Inclusion Phenom. Macrocyclic Chem.
77
,
95
(
2013
).
55.
M. L.
Baker
,
M. W.
Mara
,
J. J.
Yan
,
K. O.
Hodgson
,
B.
Hedman
, and
E. I.
Solomon
,
Coord. Chem. Rev.
345
,
182
(
2017
).
56.
R. A.
Marcus
,
J. Chem. Phys.
24
,
966
(
1956
).
57.
H. L.
Tavernier
,
M. M.
Kalashnikov
, and
M. D.
Fayer
,
J. Chem. Phys.
113
,
10191
(
2000
).
58.
K.
Sudha
,
S.
Sundharamurthi
,
S.
Karthikaikumar
,
K.
Abinaya
, and
P.
Kalimuthu
,
J. Phys. Chem. C
121
,
5941
(
2017
).
59.
See http://goldbook.iupac.org/terms/view/GT07388 for the Gibbs energy of photoinduced electron transfer.
60.
T.
Főrster
,
Discuss. Faraday Soc.
27
,
7
(
1959
).
61.
D. L.
Dexter
,
J. Chem. Phys.
21
,
836
(
1953
).
62.
A.
Schubert
,
V.
Settels
,
W.
Liu
,
F.
Würthner
,
C.
Meier
,
R. F.
Fink
,
S.
Schindlbeck
,
S.
Lochbrunner
,
B.
Engels
, and
V.
Engel
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
792
(
2013
).
63.
V.
Settels
,
A.
Schubert
,
M.
Tafipolski
,
W.
Liu
,
V.
Stehr
,
A. K.
Topczak
,
J.
Pflaum
,
C.
Deibel
,
R. F.
Fink
,
V.
Engel
, and
B.
Engels
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
9327
(
2014
).
64.
S.
Bold
,
L.
Zedler
,
Y.
Zhang
,
J.
Massin
,
V.
Artero
,
M.
Chavarot-Kerlidou
, and
B.
Dietzek
,
Chem. Commun.
54
,
10594
(
2018
).
65.
E. R.
Kennehan
,
C.
Grieco
,
A. N.
Brigeman
,
G. S.
Doucette
,
A.
Rimshaw
,
K.
Bisgaier
,
N. C.
Giebink
, and
J. B.
Asbury
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
24829
(
2017
).
66.
K. T.
Munson
,
E. R.
Kennehan
, and
J. B.
Asbury
,
J. Mater. Chem. C
7
,
5889
(
2019
).
67.
E.
Vella
,
H.
Li
,
P.
Grégoire
,
S. M.
Tuladhar
,
M. S.
Vezie
,
S.
Few
,
C. M.
Bazán
,
J.
Nelson
,
C.
Silva-Acuña
, and
E. R.
Bittner
,
Sci. Rep.
6
,
29437
(
2016
).
68.
P. S.
Wagenknecht
and
P. C.
Ford
,
Coord. Chem. Rev.
255
,
591
(
2011
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.