Precision Molecular Engineering of Carbon Nitride for Efficient and Selective Photoreduction of CO2 to C2H6 in Pure Water

材料科学 氮化碳 光催化 碳纤维 选择性 氮气 分解水 能量转换效率 化学工程 纳米技术 催化作用 光电子学 有机化学 化学 复合数 工程类 复合材料
作者
Zihe Chen,Guixiang Ding,Zhaoqiang Wang,Yin Xiao,Xin Liu,Lihui Chen,Chunxue Li,Hongwei Huang,Guangfu Liao
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202423213
摘要

Abstract Photocatalytic CO 2 reduction into high‐value C 2+ products such as C 2 H 6 is of great importance but challenging due to their multi‐electron steps and high energy barrier of C─C coupling. Moreover, improving its solar‐to‐chemical (STC) energy conversion efficiency in pure water beyond the current 1% empirical value is also a significant challenge. Herein, graphite carbon nitride (g‐C 3 N 4 ) nanosheets with controllable carbon (C) doping and nitrogen (N) vacancies (PCCN‐x) are designed through a biochar‐tailored protocol for efficiently and selectively photo‐converting CO 2 into C 2 H 6 . The optimal PCCN‐10 photocatalyst enables the achievement of an exceptional C 2 H 6 activity of 99.14 µmol g −1 h −1 with C 2 H 6 selectivity of 80.33% over 20 h in pure water. A record STC efficiency of ≈1.13% for solar fuel production from CO 2 and H 2 O vapor is also achieved without any other energy inputs. Outdoor tests also demonstrated an impressive CO 2 ‐to‐C 2 H 6 photo‐conversion rate of 43.17 µmol g −1 h −1 in pure water, with stable activity over 50 h period. Critically, experimental and theoretical calculations further confirm the pivotal role of bridged C sites and N vacancies in activating CO 2 molecules and promoting the formation of C─C coupling intermediate ( * OCCO), which is very beneficial for the production of C 2 H 6 . The impressive performance of this work in the photocatalytic conversion of CO 2 to high‐value C 2 H 6 fuels paves the way for large‐scale fuel production and broader sustainable applications.
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