Oxygen Vacancy Structure Associated Photocatalytic Water Oxidation of BiOCl

光催化 吸附 催化作用 氧化物 氧气 化学计量学 材料科学 光化学 空位缺陷 化学物理 反应性(心理学) 化学工程 化学 物理化学 有机化学 结晶学 工程类 医学 替代医学 病理
作者
Hao Li,Jian Ku Shang,Huijun Zhu,Zhiping Yang,Zhihui Ai,Lizhi Zhang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:6 (12): 8276-8285 被引量:394
标识
DOI:10.1021/acscatal.6b02613
摘要

A central issue in understanding photocatalytic water splitting on a stoichiometric or defective nanostructured oxide surface is its adsorption mode and related reactivity. More than just improving the adsorption of water on oxide surfaces, we demonstrate in this work that surface oxygen vacancies (OVs) also offer a possibility of activating water toward thermodynamically enhanced photocatalytic water oxidation, while the water activation state, as reflected by its capability to trap holes, strongly depends on the structures of OVs. Utilizing well-ordered BiOCl single-crystalline surfaces, we reveal that dissociatively adsorbed water on the OV of the (010) surface exhibits higher tendency to be oxidized than the molecularly adsorbed water on the OV of the (001) surface. Analysis of the geometric atom arrangement shows that the OV of the BiOCl (010) surface can facilitate barrierless O–H bond breaking in the first proton removal reaction, which is sterically hindered on the OV of the BiOCl (001) surface, and also allow more localized electrons transfer from the OV to the dissociatively adsorbed water, leading to its higher water activation level for hole trapping. These findings highlight the indispensable role of crystalline surface structure on water oxidation and may open up avenues for the rational design of highly efficient photocatalysts via surface engineering.
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