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Electron Inversion and Tunneling at Silicon Thermal Oxide Interfaces for Solar-Driven Molecular Catalysis to Syngas

化学 量子隧道 合成气 热的 反演(地质) 电子 氧化物 催化作用 化学物理 化学工程 光电子学 有机化学 热力学 量子力学 物理 古生物学 构造盆地 生物 工程类
作者
Shi He,Samuel R. Bottum,John C. Dickenson,Hannah R. M. Margavio,Niklas Keller,Oluwaseun A. Oyetade,Ryan J. Gentile,Taylor S. Teitsworth,Samuel Jaeho Shin,Jillian L. Dempsey,Alexander J. M. Miller,Renato N. Sampaio,Stephen J. Tereniak,Carrie L. Donley,Matthew R. Lockett,Gregory N. Parsons,Gerald J. Meyer,James F. Cahoon
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.4c17251
摘要

Semiconductor photoelectrodes are regularly coupled to solid-state heterogeneous catalysts to perform solar-driven reduction of CO2. Less frequently, molecular catalysts are employed to better control the reactivity toward desired products, yet the development of robust semiconductor/molecule interfaces has proven challenging. Here, we demonstrate that a 2-3 nm thermal oxide layer on Si exhibits stability in aqueous solution, high photovoltage, and a photocurrent density of ∼10 mA/cm2 for the solar-driven photoelectrochemical reduction of a homogeneous molecular catalyst, producing syngas with an ∼2:1 H2 to CO ratio. Because of a low defect density, the oxide interface forms an electron inversion layer with metal-like electron density at cathodic potentials. This inversion layer facilitates electron transfer to redox-active molecules via tunneling even if the molecule's reduction potential is beyond the semiconductor's conduction band edge. Using an electrolyte solution composed of a homogeneous cobalt bis(terpyridine) catalyst in a water/organic solvent mixture, stable photoelectrochemistry was observed under 1-sun illumination, exhibiting an ∼30% Faradaic efficiency for CO that was similar to a glassy carbon electrode under comparable conditions. The results demonstrate that an ultrathin thermal oxide interface is a robust platform for development of aqueous-stable, molecule-driven photoelectrocatalysis.
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