Facet-Specific Photocatalytic Activity Enhancement of Cu2O Polyhedra Functionalized with 4-Ethynylanaline Resulting from Band Structure Tuning

光催化 十二面体 密度泛函理论 八面体 材料科学 带材弯曲 甲基橙 带隙 半导体 光化学 结晶学 化学 计算化学 晶体结构 光电子学 有机化学 催化作用
作者
Tzu-Ning Chen,Jui‐Cheng Kao,Xin Zhong,Shang-Ju Chan,Anindya Sundar Patra,Yu Chieh Lo,Michael H. Huang
出处
期刊:ACS central science [American Chemical Society]
卷期号:6 (6): 984-994 被引量:47
标识
DOI:10.1021/acscentsci.0c00367
摘要

Cu2O rhombic dodecahedra, octahedra, and cubes were densely modified with conjugated 4-ethynylaniline (4-EA) for facet-dependent photocatalytic activity examination. Infrared spectroscopy affirms bonding of the acetylenic group of 4-EA onto the surface copper atoms. The photocatalytically inactive Cu2O cubes showed surprisingly high activity toward methyl orange photodegradation after 4-EA modification, while the already active Cu2O rhombic dodecahedra and octahedra exhibited a photocatalytic activity enhancement. Electron, hole, and radical scavenger experiments prove that the photocatalytic charge transport processes have occurred in the functionalized Cu2O cubes. Electrochemical impedance spectroscopy also indicates reduced charge transfer resistance of the functionalized Cu2O crystals. A band diagram constructed from UV–vis spectral and Mott–Schottky measurements reveals significant band energy shifts in all Cu2O samples after decorating with 4-EA. From density functional theory (DFT) calculations, a new band has emerged slightly above the valence band maximum within the band gap of Cu2O, which has been found to originate from 4-EA through band-decomposed charge density analysis. The increased charge density localized on the 4-EA molecule and the smallest electron transition energy to reach the 4-EA-generated band are factors making {100}-bound Cu2O cubes photocatalytically active. Proper molecular decoration represents a powerful approach to improving the photocatalytic efficiency of semiconductors.
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