Unveiling excitonic effect-regulated singlet oxygen generation towards efficient photocatalytic H2O2 production

光催化 激子 单线态氧 光化学 氧气 化学 活性氧 电子转移 材料科学 化学物理 纳米技术 催化作用 物理 凝聚态物理 生物化学 有机化学
作者
Yi Shen,Yanchi Yao,Chao Zhu,Jiaxin Wu,Lei Chen,Qile Fang,Shuang Song
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:475: 146383-146383 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.146383
摘要

Excitonic processes open up the possibility for pursuing oxygen activation and reduction in photocatalytic H2O2 production. However, the mechanistic investigation in excitonic effect-regulated reactive oxygen species (ROS) generation towards two-electron oxygen reduction reaction (2e− ORR) remains obscure. Herein, for the first time, we propose an efficient 1O2-engaged one-step two-electron O2 reduction pathway induced by the strong excitonic effect, whereby two uphill energy barriers are successfully avoided by productively changing intermediate energy levels. The intrinsic mechanism underlying the P-mediated enhanced excitonic effect was revealed by hyperfine spectroscopic and theoretical investigations, in which high-energy 1O2 was photogenerated via a nontrivial energy transfer process. As a result, the superior activity of H2O2 production was achieved due to the targeted regulation of excitonic behavior, displaying a remarkable 12.2-fold boost over pristine carbon nitride. This work not only sheds light on the role of the excitonic effect in 1O2-involved photocatalytic H2O2 production but also paves the way for optimizing exciton-based photocatalysis via atomic-scale design.
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