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Efficient Hole Extraction and *OH Alleviation by Pd Nanoparticles on GaN Nanowires in Seawater for Solar‐Driven H 2 and H 2 O 2 Generation

海水 光催化 分解水 材料科学 纳米颗粒 纳米线 化学工程 催化作用 纳米技术 化学 有机化学 海洋学 地质学 工程类
作者
Muhammad Salman Nasir,Ying Zhao,Haotian Ye,Tao Wang,Bowen Sheng,Jun Song,Jinglin Li,Ping Wang,Xinqiang Wang,Zhen Huang,Baowen Zhou
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (10): e202420796-e202420796 被引量:24
标识
DOI:10.1002/anie.202420796
摘要

Abstract Photocatalytic seawater splitting into hydrogen and hydrogen peroxide (2H 2 O→H 2 ↑ + H 2 O 2 ) offers an ultimate solution for simultaneously generating green fuel and value‐added chemicals by the two most earth‐abundant resources i.e., solar energy and natural seawater. In this study, Pd nanoparticles are integrated with one‐dimensional gallium nitride nanowires (Pd NPs/GaN NWs) on a silicon wafer to produce H 2 and H 2 O 2 from seawater powered by sunlight. In situ spectroscopic characterizations combined with computational investigations reveal that in this nanohybrid, Pd NPs function as an efficient hole extractor and *OH alleviator during photocatalysis. Meanwhile, the chloride ions in seawater facilitate the H 2 O→ H 2 + H 2 O 2 conversion by improving the charge dynamics and lowering the energy barrier of the key *OH self‐coupling step over Pd sites in the catalytic system. As a result, the photocatalyst delivers an appreciable hydrogen production rate of 2.5 mmol⋅cm −2 ⋅h −1 with a light‐to‐hydrogen (LTH) efficiency of 4.38 % in natural seawater under concentrated light irradiation of 3 W⋅cm −2 without sacrificial agents and external energies. Notably, the water oxidation reaction produces 300 μmol/L of valuable H 2 O 2 over a duration of 2 hours under a light intensity of 3 W/cm 2 using a 20 mL water sample, achieving a light‐to‐chemical efficiency of 0.53 %. The photocatalyst shows excellent stability for up to 60 hours with a considerable turnover number of 1.42×10 7 moles H 2 per mole of Pd. The outdoor test further suggests the great potential for solar‐driven seawater splitting into green fuels and chemicals.
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