Noble-Metal-Free Heterojunction Photocatalyst for Selective CO2 Reduction to Methane upon Induced Strain Relaxation

材料科学 光催化 异质结 催化作用 二氧化碳电化学还原 半导体 光化学 化学工程 甲烷 化学 光电子学 一氧化碳 有机化学 工程类
作者
Risov Das,Shreya Sarkar,Ritesh Kumar,S.D. Ramarao,Arjun Cherevotan,Mohammed Jasil,C. P. Vinod,Abhishek K. Singh,Sebastian C. Peter
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (1): 687-697 被引量:84
标识
DOI:10.1021/acscatal.1c04587
摘要

Sunlight-driven CO2 hydrogenation has drawn tremendous attention. However, selective CH4 formation via CO2 photoreduction is very challenging. Herein, we report a metal oxide semiconductor heterojunction consisting of BiVO4 and WO3 as a photocatalyst for the efficient conversion of carbon dioxide (CO2) selectively to methane (105 μmol g–1 h–1) under visible light in the absence of a sacrificial agent. Wise selection of the reaction medium and the strategically tuned heterojunction upon strain relaxation suppresses the competitive hydrogen generation reaction. The detailed photophysical, photoelectrochemical, and X-ray absorption spectroscopy studies pointed to the Z-scheme mechanism of electron transfer, which favors superior electron and hole separation compared to the individual components of the composite catalyst and other well-known photocatalysts reported for CO2 reduction. The observations are further corroborated by experimental diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy and theoretical density-functional theory calculations, which reveal that the heterojunction has a lower free-energy barrier for CO2 conversion to CH4 due to the larger stabilization of the *CH2O intermediate on the strain-relaxed heterojunction surface, in comparison to the pristine BiVO4 surface. The present work provides fundamental insights for constructing high-performance heterojunction photocatalysts for the selective conversion of CO2 to desired chemicals and fuels.
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