Hydroxyl-Bonded Ru on Metallic TiN Surface Catalyzing CO2 Reduction with H2O by Infrared Light

化学 红外线的 红外光谱学 还原(数学) 金属 无机化学 光学 有机化学 物理 数学 几何学
作者
Bo Su,Yuehua Kong,Sibo Wang,Shouwei Zuo,Wei Lin,Yuanxing Fang,Yidong Hou,Guigang Zhang,Huabin Zhang,Xinchen Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (50): 27415-27423 被引量:287
标识
DOI:10.1021/jacs.3c08311
摘要

Synchronized conversion of CO2 and H2O into hydrocarbons and oxygen via infrared-ignited photocatalysis remains a challenge. Herein, the hydroxyl-coordinated single-site Ru is anchored precisely on the metallic TiN surface by a NaBH4/NaOH reforming method to construct an infrared-responsive HO-Ru/TiN photocatalyst. Aberration-corrected high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy (ac-HAADF-STEM) and X-ray absorption spectroscopy (XAS) confirm the atomic distribution of the Ru species. XAS and density functional theory (DFT) calculations unveil the formation of surface HO-RuN5-Ti Lewis pair sites, which achieves efficient CO2 polarization/activation via dual coordination with the C and O atoms of CO2 on HO-Ru/TiN. Also, implanting the Ru species on the TiN surface powerfully boosts the separation and transfer of photoinduced charges. Under infrared irradiation, the HO-Ru/TiN catalyst shows a superior CO2-to-CO transformation activity coupled with H2O oxidation to release O2, and the CO2 reduction rate can further be promoted by about 3-fold under simulated sunlight. With the key reaction intermediates determined by in situ diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS) and predicted by DFT simulations, a possible photoredox mechanism of the CO2 reduction system is proposed.
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