Epitaxially grown silicon-based single-atom catalyst for visible-light-driven syngas production

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作者
Huai Chen,Yi Xiong,Jun Li,Jehad Abed,Da Wang,Adrián Pedrazo‐Tardajos,Yanhui Cao,Yiting Zhang,Ying Wang,Mohsen Shakouri,Qunfeng Xiao,Yongfeng Hu,Sara Bals,Edward H. Sargent,Cheng‐Yong Su,Zhenyu Yang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1) 被引量:9
标识
DOI:10.1038/s41467-023-37401-3
摘要

Improving the dispersion of active sites simultaneous with the efficient harvest of photons is a key priority for photocatalysis. Crystalline silicon is abundant on Earth and has a suitable bandgap. However, silicon-based photocatalysts combined with metal elements has proved challenging due to silicon's rigid crystal structure and high formation energy. Here we report a solid-state chemistry that produces crystalline silicon with well-dispersed Co atoms. Isolated Co sites in silicon are obtained through the in-situ formation of CoSi2 intermediate nanodomains that function as seeds, leading to the production of Co-incorporating silicon nanocrystals at the CoSi2/Si epitaxial interface. As a result, cobalt-on-silicon single-atom catalysts achieve an external quantum efficiency of 10% for CO2-to-syngas conversion, with CO and H2 yields of 4.7 mol g(Co)-1 and 4.4 mol g(Co)-1, respectively. Moreover, the H2/CO ratio is tunable between 0.8 and 2. This photocatalyst also achieves a corresponding turnover number of 2 × 104 for visible-light-driven CO2 reduction over 6 h, which is over ten times higher than previously reported single-atom photocatalysts.
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