CO2dissociation activated through electron attachment on the reduced rutile TiO2(110)-1×1 surface

轨道能级差 离解(化学) 光催化 吸附 费米能级 材料科学 扫描隧道显微镜 量子隧道 电子 物理化学 物理 催化作用 化学 分子 纳米技术 光电子学 量子力学 有机化学
作者
Shijing Tan,Yan Zhao,Jin Zhao,Zhuo Wang,Chuanxu Ma,Aidi Zhao,Bing Wang,Yi Luo,Jinlong Yang,Jianguo Hou
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:84 (15) 被引量:76
标识
DOI:10.1103/physrevb.84.155418
摘要

Converting CO${}_{2}$ to useful compounds through the solar photocatalytic reduction has been one of the most promising strategies for artificial carbon recycling. The highly relevant photocatalytic substrate for CO${}_{2}$ conversion could be the popular TiO${}_{2}$ surfaces. However, the lack of accurate measurements for the energy level alignment that determines the CO${}_{2}$ reduction on TiO${}_{2}$ has limited our ability to control these complicated photocatalysis processes. We report here a systematic study on the reduction of CO${}_{2}$ at specific sites of the rutile TiO${}_{2}$(110)-$1\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}1$ surface using scanning tunneling microscopy at 80 K. The dissociation of CO${}_{2}$ molecules is found to be activated by one electron attachment process with an energy threshold of 1.8 eV above the Fermi level (or 1.4 eV above the TiO${}_{2}$ conduction band onset), while the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) of the adsorbed CO${}_{2}$ is located at 2.3 eV with respect to the Fermi level. The observed dependence of the dissociation rate on the tunneling current suggests that the reduction of CO${}_{2}$ induced by the electron attachment is a single electron process. These practical information can be used to guide the design of effective catalysts for CO${}_{2}$ photoreduction.
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