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Dual Photocatalytic Roles of Light: Charge Separation at the Band Gap and Heat via Localized Surface Plasmon Resonance To Convert CO2 into CO over Silver–Zirconium Oxide

化学 表面等离子共振 光催化 光化学 带隙 氧化物 分析化学(期刊) 吸收(声学) 吸收带 纳米颗粒 化学工程 催化作用 有机化学 光电子学 物理 声学 工程类 光学
作者
Hongwei Zhang,Takaomi Itoi,Takehisa Konishi,Yasuo Izumi
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:141 (15): 6292-6301 被引量:74
标识
DOI:10.1021/jacs.8b13894
摘要

Confirmation of 13CO2 photoconversion into a 13C-product is crucial to produce solar fuel. However, the total reactant and charge flow during the reaction is complex; therefore, the role of light during this reaction needs clarification. Here, we chose Ag–ZrO2 photocatalysts because beginning from adventitious C, negligible products are formed using them. The reactants, products, and intermediates at the surface were monitored via gas chromatography–mass spectrometry and FTIR, whereas the temperature of Ag was monitored via Debye–Waller factor obtained by in situ extended X-ray absorption fine structure. With exposure to 13CO2, H2, and UV–visible light, 13CO selectively formed, while 8.6% of the 12CO mixed in the product due to the formation of 12C-bicarbonate species from air that exchanged with the 13CO2 gas-phase during a 2 h reaction. By choosing the light activation wavelength, the CO2 photoconversion contribution ratio was charge separated at the ZrO2 band gap (λ < 248 nm): 70%, localized at the Ag surface plasmon resonance (LSPR) (330 < λ < 580 nm): 28%, and characterized by a thermal energy of 295 K: 2%. LSPR at the Ag surface was converted to heat at temperatures of up to 392 K, which provided an efficient supply of activated H species to the bicarbonate species, combined with separated electrons and holes above the ZrO2, which generated CO at a rate of 0.66 μmol h–1 gcat–1 with approximately zero order kinetics. Photoconversion of 13CO2 using moisture was also possible. Water photo-oxidation step above ZrO2 was rate-limited, and the side reactions that formed H2 above the Ag were successfully suppressed instead to produce CO via the Mg2+ addition to trap CO2 at the surface.

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