Multiple Catalytic Reactions and Enhanced C2+ Products of CO 2 Reduction by Photocatalyst CuBi 2 O 4 : Reaction Intermediates and Mechanisms

光催化 反应中间体 化学 拉曼光谱 密度泛函理论 催化作用 产量(工程) 光化学 解吸 反应机理 反应中间体 带隙 光谱学 同位素标记 原位 可见光谱 分解 半导体 红外光谱学 选择性催化还原 无机化学
作者
Xiao‐Min Lin,Fu‐Yu Liu,Chiing‐Chang Chen,I‐Chia Chen
出处
期刊:ChemPhysChem [Wiley]
卷期号:27 (20)
标识
DOI:10.1002/cphc.70590
摘要

With increasing atmospheric CO 2 , photocatalytic CO 2 reduction has emerged as a promising strategy to mitigate climate change. CuBi 2 O 4 , a semiconductor with a bandgap of 1.75 eV, shows broad visible absorption, making it a suitable candidate for photocatalytic applications. We used CuBi 2 O 4 as the photocatalyst and combined in situ Raman spectroscopy with density functional theory (DFT) calculations to investigate CO 2 reduction. Over 12 intermediates were assigned, and five new Raman bands of intermediates were identified. The Raman spectra showed a fast production rate, with downstream intermediates forming early and upstream species accumulating later. The intermediates O*CCO and O*CCHO arose from distinct pathways, confirming multiple C2 processes. DFT results revealed two active sites, O–Cu and O–Bi, both promoting C–C coupling. Significant amounts of CO (11.4 μmol g −1 h −1 ), H 2 (2.36 μmol g −1 h −1 ), CH 4 (0.85 μmol g −1 h −1 ), and a large fraction of C2+ products (C 2 H 4 /CH 4 ∼42%) were produced; hydrocarbons were promptly produced, and CO and H 2 were gradually produced and reached maximal amounts at later stages. DFT calculations show that CO 2 was converted to *CO via O*COH, and *CO, with high free energy, can easily desorb to form gas‐phase CO. This explains the high yield of CO product.
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