Hydroxyl‐Mediated Proton Transfer Over Cu Single Atoms Decorated TiO 2 for Selective Photocatalytic CO 2 Reduction to Ethanol

光催化 质子化 选择性 光化学 碳氢化合物 化学 质子 催化作用 太阳能燃料 碳纤维 反应中间体 选择性还原 乙醇 无机化学 还原(数学) 材料科学 联轴节(管道) 质子耦合电子转移 反应机理 工作(物理) 氧化还原 化学工程 电子转移 二氧化碳电化学还原 表面改性
作者
Qingqing Guan,Yiduo Wang,Chung‐Li Dong,Ta Thi Thuy Nga,Ting Peng,Linpeng Xu,Yi Shen,Guofu Wang,Yiqing Wang,Wei Liu,Bo Kou,Shaohua Shen
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.1863813
摘要

ABSTRACT Photocatalytic CO 2 reduction to hydrocarbon fuels represents a sustainable route toward carbon neutrality, yet selective and efficient C 2 production remains a formidable challenging due to the high thermodynamic barrier and sluggish C–C coupling kinetics. In this study, we report a hydroxyl (–OH)‐rich TiO 2 photocatalyst decorated with Cu single atoms (SAs) (Cu/HTO) that addresses this challenge through synergistic active site—surface group engineering. The electronic interplay between surface –OH groups and Cu SAs promotes charge separation and strengthens CO 2 chemisorption/activation at Cu sites, facilitating *CO intermediates formation and subsequent protonation for selective C 2 H 5 OH and CO prodution. Under sacrificial agent free conditions, Cu/HTO delivers CO at 90.1 µmol g −1 h −1 with 88.3% yield‐based selectivity in a gas–solid (GS) system. Notably, in a gas–liquid–solid (GLS) system with water supplying abundant protons, Cu/HTO efficiently yields C 2 H 5 OH at 361.5 µmol g −1 h −1 with 99.4% yield‐based selectivity, which is related to Cu 2+ sites stabilized *CO intermediates thermodynamically favoring C–C coupling and the surface –OH groups mediated proton transfer kinetically facilitating multistep protonation. This work not only establishes a high‐performance and low‐cost photocatalyst for CO 2 ‐to‐C 2 conversion but also provides a rational design paradigm for engineering single‐atom–surface‐group synergy in solar fuel synthesis.
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