Intrinsic Charge Polarization in Bi19S27Cl3 Nanorods Promotes Selective CC Coupling Reaction during Photoreduction of CO2 to Ethanol

材料科学 极化(电化学) 纳米棒 乙醇 光化学 联轴节(管道) 光电子学 物理化学 纳米技术 化学 有机化学 冶金
作者
Kousik Das,Risov Das,Mohd Riyaz,Arko Parui,Debabrata Bagchi,Ashutosh Kumar Singh,Abhishek K. Singh,C. P. Vinod,Sebastian C. Peter
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (5) 被引量:52
标识
DOI:10.1002/adma.202205994
摘要

Obtaining multi-carbon products via CO2 photoreduction is a major catalytic challenge involving multielectron-mediated CC bond formation. Complex design of multicomponent interfaces that are exploited to achieve this chemical transformation, often leads to untraceable deleterious changes in the interfacial chemical environment affecting CO2 conversion efficiency and product selectivity. Alternatively, robust metal centers having asymmetric charge distribution can effectuate CC coupling reaction through the stabilization of intermediates, for desired product selectivity. However, generating inherent charge distribution in a single component catalyst is a difficult material design challenge. Here, a novel photocatalyst, Bi19 S27 Cl3 , is presented which selectively converts CO2 to a C2 product, ethanol, in high yield under visible light irradiation. Structural analysis through transmission electron microscopy, X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, and X-ray absorption spectroscopy reveals the presence of charge polarized bismuth centers in Bi19 S27 Cl3 . The intrinsic electric field induced by charge polarized bismuth centers renders better separation efficiency of photogenerated electron-hole pair. Furthermore, charge polarized centers yield better adsorption of CO* intermediate and accelerate the rate determining CC coupling step through the formation of OCCOH intermediate. Formation of these intermediates is experimentally mapped by in situ Fourier-transform infrared spectroscopy and further confirmed by theoretical calculation.
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