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Mesoscopic Hydrophobic Microenvironment Engineering on a Single-Atom Catalyst for Steering CO 2 Photoreduction to CH 4

催化作用 介观物理学 化学 解吸 吸附 选择性 化学物理 中尺度气象学 化学工程 双金属片 纳米技术 集聚经济 工作(物理) 表面粗糙度 多相催化 表面工程 格子(音乐) 光化学 反应中间体 两亲性 分子 表面光洁度
作者
Haiwei Su,William Orbell,Yakun Qu,Zhen Chen,Feng Dong,Xiuyi Yang,Xiaoguang Zhao,Lin Chen,Yunlong Wang,Bo Meng,Haibo Yin,Jianjun Chen,Lin Guo,Junhua Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (14): 15181-15192 被引量:5
标识
DOI:10.1021/jacs.6c01672
摘要

The selective photoreduction of CO 2 to CH 4 is notoriously challenged by competitive water adsorption and the facile desorption of the *CO intermediate. Herein, we tackle this dual challenge through the mesoscopic engineering of a single-atom catalyst with Cu–C sites, which transforms the surface into a hydrophobic environment. This engineered interface not only repels bulk water to ensure efficient CO 2 access but also leverages confined water clusters to stabilize CO 2 molecules. Crucially, finite element simulations reveal that the lattice distortion-induced surface roughness effectively hinders the diffusion of CO molecules, leading to a localized enrichment of the *CO intermediate around the active Cu sites. This physical confinement effect, synergizing with the electronic π-backdonation from Cu, suppresses premature desorption of the *CO intermediate and promotes its further reduction. Consequently, the catalyst achieves a high CH 4 selectivity of 98.43% and a production rate of 16.43 μmol g –1 h –1, with notable activity preserved even under 700 nm irradiation. This work underscores that governing the mass transport of key intermediates at the mesoscale is a decisive design principle for steering catalytic selectivity.
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