Photoexcited Surface Frustrated Lewis Pairs for Heterogeneous Photocatalytic CO2 Reduction

化学 还原(数学) 光催化 沮丧的刘易斯对 路易斯酸 光化学 催化作用 有机化学 几何学 数学
作者
Kulbir Kaur Ghuman,Laura B. Hoch,Paul Szymanski,Joel Y. Y. Loh,Nazir P. Kherani,Mostafa A. El‐Sayed,Geoffrey A. Ozin,Chandra Veer Singh
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:138 (4): 1206-1214 被引量:249
标识
DOI:10.1021/jacs.5b10179
摘要

In this study we investigated, theoretically and experimentally, the unique photoactive behavior of pristine and defected indium oxide surfaces providing fundamental insights into their excited state properties as well as an explanation for the experimentally observed enhanced activity of defected indium oxide surfaces for the gas-phase reverse water gas shift reaction, CO2 + H2 + hν→ CO + H2O in the light compared to the dark. To this end, a detailed excited-state study of pristine and defected forms of indium oxide (In2O3, In2O3-x, In2O3(OH)y and In2O3-x(OH)y) surfaces was performed using time dependent density functional theory (TDDFT) calculations, the results of which were supported experimentally by transient absorption spectroscopy and photoconductivity measurements. It was found that the surface frustrated Lewis pairs (FLPs) created by a Lewis acidic coordinately unsaturated surface indium site proximal to an oxygen vacancy and a Lewis basic surface hydroxide site in In2O3-x(OH)y become more acidic and basic and hence more active in the ES compared to the GS. This provides a theoretical mechanism responsible for the enhanced activity and reduced activation energy of the photochemical reverse water gas shift reaction observed experimentally for In2O3-x(OH)y compared to the thermochemical reaction. This fundamental insight into the role of photoexcited surface FLPs for catalytic CO2 reduction could lead to improved photocatalysts for solar fuel production.
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