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Dynamic Valence-State-Adaptive Ta Single-Atom Sites for Artificial H 2 O 2 Photosynthesis

化学 催化作用 原位 量子产额 光催化 产量(工程) 吸附 光谱学 氮化物 石墨氮化碳 金属 电子 工作(物理) 人工光合作用 碳纤维 活化能 量子化学 协同催化 量子效率 量子 表征(材料科学) 传导电子 纳米技术 反应机理 物理化学 化学物理 光化学 化学工程 氮化碳 电子转移 导带 氮气 氧化还原 多相催化 电荷(物理)
作者
Xu Zhang,Ying Tao,C R Yang,Qixin Zhou,Laiyu Luo,Bing Wang,Jie Ding,Taoran Chen,Caoyu Yang,Jiaxing Wang,Yueshuai Wang,Hanwen Hu,Shuowen Bo,X Xiuzhen Feng,J Z Zhao,Qinghua Liu,Kun Zheng,Hongli Sun,Lingyue Liu,Chenliang Su
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (27): 29419-29429 被引量:3
标识
DOI:10.1021/jacs.6c09675
摘要

Photocatalytic H 2 O 2 synthesis via the two-electron O 2 reduction reaction (2e – ORR) is attractive, yet the interplay between active-site-mediated excited-state electron behavior and in situ O 2 activation at the atomic scale remains unclear. Herein, we establish a mechanism-guided integrated strategy combining theoretical screening, experimental construction, and in situ characterization to identify Ta single-atom sites as the optimal 5d metal centers on carbon nitride for H 2 O 2 photosynthesis. The resulting catalyst combines favorable excited-state charge localization with thermodynamic advantages for the 2e – ORR, achieving an apparent quantum yield of 14.53% at 420 nm and a solar-to-chemical conversion efficiency of 1.12% in pure water. Multidimensional in situ spectroscopy measurements and theoretical calculations demonstrate that Ta single-atom sites act as dynamically adaptive catalytic centers through flexible in situ valence-state evolution (+4.16 → +4.37 → +3.14), facilitating initial O 2 adsorption and then accumulating and transferring excited-state electrons to drive end-on O 2 activation through Ta 5d-O 2p orbital coupling, thereby accelerating *OOH-mediated selective H 2 O 2 formation. This work establishes a framework for understanding dynamic single-atom photocatalysis and guiding the design of adaptive active sites for artificial H 2 O 2 photosynthesis.
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