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Decoupling the Impacts of Engineering Defects and Band Gap Alignment Mechanism on the Catalytic Performance of Holey 2D CeO2−x‐Based Heterojunctions

材料科学 异质结 密度泛函理论 催化作用 氧化物 带隙 化学物理 空位缺陷 化学工程 纳米技术 计算化学 光电子学 结晶学 有机化学 化学 工程类 冶金
作者
Xiaoran Zheng,Sajjad S. Mofarah,Claudio Cazorla,Rahman Daiyan,Ali Asghar Esmailpour,Jason Scott,Yin Yao,Sean Lim,Vienna Wong,Ewing Y. Chen,Hamidreza Arandiyan,Pramod Koshy,Charles C. Sorrell
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:31 (38) 被引量:48
标识
DOI:10.1002/adfm.202103171
摘要

Abstract Critical catalysis studies often lack elucidation of the mechanistic role of defect equilibria in solid solubility and charge compensation. This approach is applied to interpret the physicochemical properties and catalytic performance of a free‐standing 2D–3D CeO 2− x scaffold, which is comprised of holey 2D nanosheets, and its heterojunctions with MoO 3− x and RuO 2 . The band gap alignment and structural defects are engineered using density functional theory (DFT) simulations and atomic characterization. Further, the heterojunctions are used in hydrogen evolution reaction (HER) and catalytic ozonation applications, and the impacts of the metal oxide heteroatoms are analyzed. A key outcome is that the principal regulator of the ozonation performance is not oxygen vacancies but the concentration of Ce 3+ and Ce vacancies. Cation vacancy defects are measured to be as high as 8.1 at% for Ru‐CeO 2− x . The homogeneous distribution of chemisorbed, Mo‐oxide, heterojunction nanoparticles on the CeO 2− x holey nanosheets facilitates intervalence charge transfer, resulting in the dominant effect and resultant ≈50% decrease in overpotential for HER. The heterojunctions are tested for aqueous‐catalytic ozonation of salicylic acid, revealing excellent catalytic performance from Mo doping despite the adverse impact of Ce vacancies. The present study highlights the use of defect engineering to leverage experimental and DFT results for band alignment.
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