Developing Ni single-atom sites in carbon nitride for efficient photocatalytic H2O2 production

光催化 离解(化学) 拉曼光谱 材料科学 光化学 量子产额 吸附 吸收光谱法 析氧 化学 催化作用 物理化学 电化学 物理 生物化学 量子力学 光学 荧光 电极
作者
Xu Zhang,Hui Su,Peixin Cui,Yongyong Cao,Zhenyuan Teng,Qitao Zhang,Yang Wang,Yibo Feng,Ran Feng,Jixiang Hou,Xiyuan Zhou,Peijie Ma,Hanwen Hu,Kaiwen Wang,Cong Wang,Li‐Yong Gan,Yunxuan Zhao,Qinghua Liu,Tierui Zhang,Kun Zheng
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1) 被引量:208
标识
DOI:10.1038/s41467-023-42887-y
摘要

Photocatalytic two-electron oxygen reduction to produce high-value hydrogen peroxide (H2O2) is gaining popularity as a promising avenue of research. However, structural evolution mechanisms of catalytically active sites in the entire photosynthetic H2O2 system remains unclear and seriously hinders the development of highly-active and stable H2O2 photocatalysts. Herein, we report a high-loading Ni single-atom photocatalyst for efficient H2O2 synthesis in pure water, achieving an apparent quantum yield of 10.9% at 420 nm and a solar-to-chemical conversion efficiency of 0.82%. Importantly, using in situ synchrotron X-ray absorption spectroscopy and Raman spectroscopy we directly observe that initial Ni-N3 sites dynamically transform into high-valent O1-Ni-N2 sites after O2 adsorption and further evolve to form a key *OOH intermediate before finally forming HOO-Ni-N2. Theoretical calculations and experiments further reveal that the evolution of the active sites structure reduces the formation energy barrier of *OOH and suppresses the O=O bond dissociation, leading to improved H2O2 production activity and selectivity.
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