Unexpected Boosted Solar Water Oxidation by Nonconjugated Polymer-Mediated Tandem Charge Transfer

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作者
Zhiquan Wei,Shuo Hou,Xin Lin,Shuai Xu,Xiao‐Cheng Dai,Yue‐Hua Li,Jingyu Li,Fang‐Xing Xiao,Yi‐Jun Xu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (52): 21899-21912 被引量:78
标识
DOI:10.1021/jacs.0c11057
摘要

Conjugated polymers are deemed as conductive carrier mediators for engendering the π electrons along the molecular framework, while the role of nonconjugated insulated polymers has been generally overlooked without the capability to participate in the solar-powered oxidation–reduction kinetics and charge-transfer process. Alternatively, considering the ultrashort charge lifetime and significant deficiency of metal nanocluster (NC)-based photosystems, the fine tuning of charge migration over atomically precise ultrasmall metal NCs as novel light-harvesting antennas has so far not yet been unleashed. Here, we unlock the charge-transfer capability of a nonconjugated polymer to modulate the charge flow over metal NCs (Aux and Au25) by such a solid-state nonconductive polymer via a conceptually new chemistry strategy by which l-glutathione (GSH)-capped gold (Aux@GSH) NCs and poly(diallyl-dimethylammonium chloride) (PDDA) were alternately self-assembled on the metal oxide (MO: WO3, Fe2O3, and TiO2) substrates. The ultrathin nonconjugated PDDA interim layer periodically intercalated in-between Aux (Au25) NC layers concurrently serves as an unexpected charge-transfer mediator to foster the unidirectional electron flow from Aux(Au25) NCs to MOs by forming a tandem charge-transfer chain, hence endowing the multilayered MO/(PDDA-Aux)n heterostructures with significantly boosted photoelectrochemical water oxidation performance under light irradiation. The unanticipated role of PDDA as a cascade charge mediator is demonstrated to be universal. Our work would unlock the potential charge-transport capability of nonconjugated polymers as a novel charge mediator for solar-to-chemical conversion.
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