Universal Kinetic Mechanism Describing CO2 Photoreductive Yield and Selectivity for Semiconducting Nanoparticle Photocatalysts

化学 催化作用 光催化 选择性 产量(工程) 纳米颗粒 化学工程 甲醛 反应速率 光化学 有机化学 材料科学 冶金 工程类
作者
Daniel J. Lundberg,Dorsa Parviz,Hyunah Kim,Maya J. Lebowitz,Ruoxin Lu,Michael S. Strano
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (30): 13623-13633 被引量:18
标识
DOI:10.1021/jacs.2c03883
摘要

Photocatalytic conversion of CO2 to generate high-value and renewable chemical fuels and feedstock presents a sustainable and renewable alternative to fossil fuels and petrochemicals. Currently, there is a dearth of kinetic understanding to inform better catalyst design, especially at uniform reaction conditions across diverse catalytic species. In this work, we investigate 12 active, stable, and unique but common nanoparticle photocatalysts for CO2 reduction at room temperature and low partial pressure in aqueous phase: TiO2, SnO2, and SiC deposited with silver, gold, and platinum. Our analysis reveals a single consistent chemical kinetic mechanism, which accurately describes the yield and selectivity of all single-carbon containing (C1) products obtained in spite of the diverse catalysts employed. Formaldehyde is predicted as the first product in the reaction network and we report, to the best of our knowledge, the highest selectivity to date toward formaldehyde during CO2 photoreduction when compared against all other C1 products (∼80%) albeit at low CO2 conversion (<0.5 μmol gcat–1 h–1, <16.8 nmol m–2 h–1). Further, we observe a volcano-like relationship between the electron-transfer rate of a given photocatalyst for CO2 reduction and the net rate at which reduced products are produced in the reaction mixture taking into account unfavorable product oxidation. We establish an empirical upper limit for the maximum rate of production of CO2 reduction products for any nanoparticle photocatalyst in the absence of a hole-scavenging agent. These results form the basis for the design and optimization of the next generation of highly efficiency and active photocatalysts for CO2 reduction.
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