Vacancy-Engineered 1D Nanorods with Spatially Segregated Dual Redox Sites for Visible-Light-Driven Cooperative CO2 Reduction

材料科学 纳米棒 光催化 氧化还原 光化学 傅里叶变换红外光谱 化学工程 太阳能燃料 纳米技术 催化作用 有机化学 化学 工程类 冶金
作者
Krishan Kumar,Pratibha Saini,Mukul Sethi,Surendra Kumar Saini,Aditya Gurjar,Arindam Konar,Benjamin Dietzek‐Ivanšić,Wolfgang Weigand,Vijay Parewa
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (33): 43498-43511 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsami.4c06834
摘要

Cooperative CO2 photoreduction with tailored organic synthesis offers a potent avenue for harnessing concurrently generated electrons and holes, facilitating the creation of both solar fuels and specialized chemical compounds. However, controlling the crystallization and morphologies of metal-free molecular nanostructures with exceptional photocatalytic activities toward CO2 reduction remains a significant challenge. These hurdles encompass insufficient CO2 activation potential, sluggish multielectron processes, delayed charge-separation kinetics, inadequate storage of long-lived photoexcitons, unfavorable thermodynamic conditions, and the precise control of product selectivity. Here, melem oligomer 2D nanosheets (MNSs) synthesized through pyrolysis are transformed into 1D nanorods (MNRs) at room temperature with the simultaneous engineering of vacancies and morphology. Transient absorption spectral analysis reveals that vacancies in MNRs trap charges, extending charge carrier lifetimes. Additionally, carbon vacancies enhance CO2 adsorption by increasing amine functional centers. The photocatalytic performance of MNRs for CO2 reduction coupled with benzyl alcohol oxidation is approximately ten times higher (CH3OH and aromatic aldehyde production rate 27 ± 0.5 and 93 ± 0.5 mmol g–1 h–1, respectively) than for the MNSs (CH3OH and aromatic aldehyde production rate 2.9 ± 0.5 and 9 ± 0.5 mmol g–1 h–1, respectively). The CO2 reduction pathway involved the carbon-coordinated formyl pathway through the formation of *COOH and *CHO intermediates, as mapped by in situ Fourier-transform infrared spectroscopy. The superior performance of MNRs is attributed to favorable energy-level alignment, enriched amine surfaces, and unique morphology, enhancing solar-to-chemical conversion.

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