Atomically dispersed antimony on carbon nitride for the artificial photosynthesis of hydrogen peroxide

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作者
Zhenyuan Teng,Qitao Zhang,Hongbin Yang,Kosaku Kato,Wenjuan Yang,Ying‐Rui Lu,Sixiao Liu,Chengyin Wang,Akira Yamakata,Chenliang Su,Bin Liu,Teruhisa Ohno
出处
期刊:Nature Catalysis [Nature Portfolio]
卷期号:4 (5): 374-384 被引量:806
标识
DOI:10.1038/s41929-021-00605-1
摘要

Artificial photosynthesis offers a promising strategy to produce hydrogen peroxide (H2O2)—an environmentally friendly oxidant and a clean fuel. However, the low activity and selectivity of the two-electron oxygen reduction reaction (ORR) in the photocatalytic process greatly restricts the H2O2 production efficiency. Here we show a robust antimony single-atom photocatalyst (Sb-SAPC, single Sb atoms dispersed on carbon nitride) for the synthesis of H2O2 in a simple water and oxygen mixture under visible light irradiation. An apparent quantum yield of 17.6% at 420 nm together with a solar-to-chemical conversion efficiency of 0.61% for H2O2 synthesis was achieved. On the basis of time-dependent density function theory calculations, isotopic experiments and advanced spectroscopic characterizations, the photocatalytic performance is ascribed to the notably promoted two-electron ORR by forming μ-peroxide at the Sb sites and highly concentrated holes at the neighbouring N atoms. The in situ generated O2 via water oxidation is rapidly consumed by ORR, leading to boosted overall reaction kinetics.
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