Efficient, Selective CO2 Photoreduction Enabled by Facet-Resolved Redox-Active Sites on Colloidal CdS Nanosheets

化学 氧化还原 面(心理学) 选择性 胶体 光催化 电子转移 催化作用 纳米技术 纳米结构 光化学 材料科学 无机化学 物理化学 有机化学 社会心理学 心理学 人格 五大性格特征
作者
Nianfang Wang,Seok-Hyeon Cheong,Da-Eun Yoon,Pan Lu,Hyunjoo Lee,Young Kuk Lee,Young‐Shin Park,Doh C. Lee
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (37): 16974-16983 被引量:44
标识
DOI:10.1021/jacs.2c06164
摘要

Advances in nanotechnology have enabled precise design of catalytic sites for CO2 photoreduction, pushing product selectivity to near unity. However, activity of most nanostructured photocatalysts remains underwhelming due to fast recombination of photogenerated electron-hole pairs and sluggish hole transfer. To address these issues, we construct colloidal CdS nanosheets (NSs) with the large basal planes terminated by S2- atomic layers as intrinsic photocatalysts (CdS-S2- NSs). Experimental investigation reveals that the S2- termination endows ultrathin CdS-S2- NSs with facet-resolved redox-catalytic sites: oxidation occurs on S2--terminated large basal facets and reduction happens on side facets. Such an allocation of redox sites not only promotes spatial separation of photoinduced electrons and holes but also facilitates balanced extraction of holes and electrons by shortening the hole diffusion distance along the (001) direction of the ultrathin NSs. Consequently, the CdS-S2- NSs exhibit superb performance for photocatalytic CO2-to-CO conversion, which was verified by the isotope-labeled experiments to be a record-breaking performance: a CO selectivity of 99%, a CO formation rate of 2.13 mol g-1 h-1, and an effective apparent quantum efficiency of 42.1% under the irradiation (340 to 450 nm) of a solar simulator (AM 1.5G). The breakthrough performance achieved in this work provides novel insights into the precise design of nanostructures for selective and efficient CO2 photoreduction.
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