Synergy between Palladium Single Atoms and Nanoparticles via Hydrogen Spillover for Enhancing CO2 Photoreduction to CH4

催化作用 材料科学 离解(化学) 光化学 光催化 氢溢流 电子转移 氮化碳 甲烷化 纳米颗粒 制氢 纳米技术 化学 物理化学 有机化学
作者
Peigen Liu,Zixiang Huang,Xiaoping Gao,Xun Hong,Junfa Zhu,Gongming Wang,Yuen Wu,Jie Zeng,Xusheng Zheng
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (16) 被引量:264
标识
DOI:10.1002/adma.202200057
摘要

Selective photoreduction of carbon dioxide (CO2 ) into carbon-neutral fuels such as methane (CH4 ) is extremely desirable but remains a challenge since sluggish multiple proton-electron coupling transfer and various C1 intermediates are involved. Herein, a synergistic function between single Pd atoms (Pd1 ) and Pd nanoparticles (PdNPs ) on graphitic carbon nitride (C3 N4 ) for photocatalytic CO2 methanation is presented. The catalyst achieves a high selectivity of 97.8% for CH4 production with a yield of 20.3 µmol gcat.-1 h-1 in pure water. Mechanistic studies revealed that Pd1 sites activated CO2 , while PdNPs sites boosted water (H2 O) dissociation for increased H* coverage. The H* produced by PdNPs migrate to the Pd1 sites to promote multiple proton-electron coupling transfer via hydrogen spillover. Moreover, the adjacent Pd1 and PdNPs effectively stabilized intermediates such as *CHO, thereby favoring the pathway for CH4 production. This work provides a new perspective into the development of selective photocatalytic CO2 conversion through the artful design of synergistic catalytic sites.
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