Oxidizing Role of Cu Cocatalysts in Unassisted Photocatalytic CO2 Reduction Using p-GaN/Al2O3/Au/Cu Heterostructures

氧化剂 光催化 材料科学 异质结 还原(数学) 光电子学 化学工程 纳米技术 化学 催化作用 几何学 数学 生物化学 工程类 有机化学
作者
Marija R. Zoric,Pooja Basera,Levi D. Palmer,Aisulu Aitbekova,Natalia E. Powers‐Riggs,Hyeongtaek Lim,Wenhui Hu,Angel T. Garcia‐Esparza,Hori Pada Sarker,Frank Abild‐Pedersen,Harry A. Atwater,Scott K. Cushing,Michal Bajdich,Amy A. Cordones
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c02088
摘要

Photocatalytic CO2 reduction to CO under unassisted (unbiased) conditions was recently demonstrated using heterostructure catalysts that combine p-type GaN with plasmonic Au nanoparticles and Cu nanoparticles as cocatalysts (p-GaN/Al2O3/Au/Cu). Here, we investigate the mechanistic role of Cu in p-GaN/Al2O3/Au/Cu under unassisted photocatalytic operating conditions using Cu K-edge X-ray absorption spectroscopy and first-principles calculations. Upon exposure to gas-phase CO2 and H2O vapor reaction conditions, the composition of the Cu nanoparticles is identified as a mixture of CuI and CuII oxide, hydroxide, and carbonate compounds without metallic Cu. These composition changes, indicating oxidative conditions, are rationalized by bulk Pourbaix thermodynamics. Under photocatalytic operating conditions with visible light excitation of the plasmonic Au nanoparticles, further oxidation of CuI to CuII is observed, indicating light-driven hole transfer from Au-to-Cu. This observation is supported by the calculated band alignments of the oxidized Cu compositions with plasmonic Au particles, where light-driven hole transfer from Au-to-Cu is found to be thermodynamically favored. These findings demonstrate that under unassisted (unbiased) gas-phase reaction conditions, Cu is found in carbonate-rich oxidized compositions rather than metallic Cu. These species then act as the active cocatalyst and play an oxidative rather than a reductive role in catalysis when coupled with plasmonic Au particles for light absorption, possibly opening an additional channel for water oxidation in this system.

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