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Unveiling Strong Electric Fields of Ultrafine Hollow Nanotubes Axially Orienting Asymmetric Polar [Bi5O7] Units for Efficient Piezocatalytic Water Splitting

轴对称性 电场 极地的 材料科学 纳米技术 分解水 凝聚态物理 化学物理 分子物理学 物理 化学 催化作用 光催化 量子力学 生物化学
作者
Chunyang Wang,Fang Chen,En Chen,Tong Chen,Tianyi Ma,Hongwei Huang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (24): 22387-22401 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c06046
摘要

Exploiting efficient piezocatalytic systems for water splitting is a promising avenue to generate clean energy carriers, though it remains challenging. Here, we develop Bi5O7Br ultrafine hollow nanotubes (HNTs) with a wall thickness of ∼1 nm as an efficient force-sensitive piezocatalyst for water dissociation. Compared to symmetric [Bi2O2]-constructed BiOBr, the Bi5O7Br HNTs built by axially oriented asymmetric polar [Bi5O7] units demonstrate high chemical bond anisotropy and greater local electrostatic potential difference (ΔU) at all the [−Bi-Br−], [−Bi-O−] and [−Br-Br−] areas, rendering strong piezoelectricity and internal electric field. Bi5O7Br also furnishes a more favorable active Bi site with easy H* desorption for H2 evolution due to the upshifted p-band center (εp) of the Bi 6p orbital. Furthermore, mechanical strain amplifies the advantages of asymmetric polar [Bi5O7] units, allowing Bi5O7Br to undergo larger structural distortion with substantially increased ΔU. Under strain, a large upward shift of εp of the Bi 6p orbital occurs for Bi5O7Br, which weakens the interaction between Bi sites and H*, bringing more favorable chemisorption and H* adsorption with a diminished energy barrier, thus resulting in improved H2 evolution reaction kinetics and thermodynamics. As a result, Bi5O7Br HNTs deliver an ultrahigh piezocatalytic H2 production rate of 2456.48 μmol g–1 h–1 from pure water in the absence of sacrificial agents, with a mechanical-to-hydrogen efficiency of 0.28%, as well as comparable activity in seawater and tap water. This work proposes a promising tactic for seeking efficient piezocatalysts by designing an ultrafine nanostructure incorporating favorably oriented asymmetric structural units.
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