Tailoring Surface Frustrated Lewis Pairs of In2O3−x(OH)y for Gas‐Phase Heterogeneous Photocatalytic Reduction of CO2 by Isomorphous Substitution of In3+ with Bi3+

路易斯酸 沮丧的刘易斯对 化学 位阻效应 异构化 光催化 催化作用 密度泛函理论 硼烷 反应性(心理学) 氧化物 氢化物 结晶学 立体化学 计算化学 有机化学 替代医学 病理 医学
作者
Yuchan Dong,Kulbir Kaur Ghuman,Radian Popescu,Paul N. Duchesne,Wenjie Zhou,Joel Y. Y. Loh,Feysal M. Ali,Jia Jia,Di Wang,Xiaoke Mu,Christian Kübel,Lu Wang,Le He,Mireille Ghoussoub,Qiang Wang,Thomas E. Wood,Laura M. Reyes,Peng Zhang,Nazir P. Kherani,Chandra Veer Singh
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:5 (6) 被引量:118
标识
DOI:10.1002/advs.201700732
摘要

Abstract Frustrated Lewis pairs (FLPs) created by sterically hindered Lewis acids and Lewis bases have shown their capacity for capturing and reacting with a variety of small molecules, including H 2 and CO 2 , and thereby creating a new strategy for CO 2 reduction. Here, the photocatalytic CO 2 reduction behavior of defect‐laden indium oxide (In 2 O 3− x (OH) y ) is greatly enhanced through isomorphous substitution of In 3+ with Bi 3+ , providing fundamental insights into the catalytically active surface FLPs (i.e., InOH···In) and the experimentally observed “volcano” relationship between the CO production rate and Bi 3+ substitution level. According to density functional theory calculations at the optimal Bi 3+ substitution level, the 6s 2 electron pair of Bi 3+ hybridizes with the oxygen in the neighboring InOH Lewis base site, leading to mildly increased Lewis basicity without influencing the Lewis acidity of the nearby In Lewis acid site. Meanwhile, Bi 3+ can act as an extra acid site, serving to maximize the heterolytic splitting of reactant H 2 , and results in a more hydridic hydride for more efficient CO 2 reduction. This study demonstrates that isomorphous substitution can effectively optimize the reactivity of surface catalytic active sites in addition to influencing optoelectronic properties, affording a better understanding of the photocatalytic CO 2 reduction mechanism.
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