Engineering Spatially Adjacent Redox Sites with Synergistic Spin Polarization Effect to Boost Photocatalytic CO2 Methanation

化学 甲烷化 光催化 氧化还原 极化(电化学) 光化学 催化作用 化学工程 无机化学 物理化学 有机化学 工程类
作者
Mingyang Li,Shiqun Wu,Dongni Liu,Zhicheng Ye,Lijie Wang,Miao Kan,Ziwei Ye,Mazhar Khan,Jinlong Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (22): 15538-15548 被引量:36
标识
DOI:10.1021/jacs.4c04264
摘要

The integration of oxidation and reduction half-reactions to amplify their synergy presents a considerable challenge in CO2 photoconversion. Addressing this challenge requires the construction of spatially adjacent redox sites while suppressing charge recombination at these sites. This study introduces an innovative approach that utilizes spatial synergy to enable synergistic redox reactions within atomic proximity and employs spin polarization to inhibit charge recombination. We incorporate Mn into Co3O4 as a catalyst, in which Mn sites tend to enrich holes as water activation sites, while adjacent Co sites preferentially capture electrons to activate CO2, forming a spatial synergy. The direct H transfer from H2O at Mn sites facilitates the formation of *COOH on adjacent Co sites with remarkably favorable thermodynamic energy. Notably, the incorporation of Mn induces spin polarization in the system, significantly suppressing the recombination of photogenerated charges at redox sites. This effect is further enhanced by applying an external magnetic field. By synergizing spatial synergy and spin polarization, Mn/Co3O4 exhibits a CH4 production rate of 23.4 μmol g–1 h–1 from CO2 photoreduction, showcasing a 28.8 times enhancement over Co3O4. This study first introduces spin polarization to address charge recombination issues at spatially adjacent redox sites, offering novel insights for synergistic redox photocatalytic systems.
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