Asymmetric Triple-Atom Sites Confined in Ternary Oxide Enabling Selective CO2 Photothermal Reduction to Acetate

化学 光化学 催化作用 密度泛函理论 拉曼光谱 选择性 三元运算 Atom(片上系统) 物理化学 计算化学 有机化学 计算机科学 光学 物理 嵌入式系统 程序设计语言
作者
Juncheng Zhu,Weiwei Shao,Xiaodong Li,Xingchen Jiao,Junfa Zhu,Yongfu Sun,Yi Xie
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (43): 18233-18241 被引量:171
标识
DOI:10.1021/jacs.1c08033
摘要

Light-induced heat is largely neglected in traditional photocatalytic systems, especially for the thermodynamically and kinetically challenging CO2 reduction to C2 fuels. Herein, we first design asymmetric Metal1-O-Metal2 triple-atom sites confined in phenakite to facilitate C-C coupling and employ photoinduced heat to increase molecular thermal vibration and accelerate CO2 reduction to C2 fuels. Using O-vacancy-rich Zn2GeO4 nanobelts as prototypes, quasi in situ Raman spectra disclose the Zn-O-Ge triatomic sites are likely the reactive sites. Density functional theory calculations reveal that the asymmetric Zn-O-Ge sites could promote C-C coupling through inducing distinct charge distributions of neighboring C1 intermediates, whereas the created O vacancies could lower the energy barrier of the rate-determining hydrogenation step from 1.46 to 0.67 eV. Catalytic performances under different testing conditions demonstrate that light initiates the CO2 reduction reaction. In situ Fourier-transform infrared spectra and D2O kinetic isotopic effect experiments disclose that light-induced heat kinetically triggers C-C coupling and accelerates OCCO* hydrogenation via providing abundant hydrogen species. Consequently, in a simulated air atmosphere under 0.1 W/cm2 illumination at 348 K, the O-vacancy-rich Zn2GeO4 nanobelts demonstrate an acetate output of 12.7 μmol g-1 h-1, a high acetate selectivity of 66.9%, a considerable CO2-to-CH3COOH conversion ratio of 29.95%, and a stability of up to 220 h.
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