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Mechanism-Guided Design of Photocatalysts for CO2 Reduction toward Multicarbon Products

合理设计 化学 催化作用 选择性 光催化 氧化物 空位缺陷 兴奋剂 还原(数学) 联轴节(管道) 组合化学 纳米技术 化学物理 结晶学 光电子学 材料科学 有机化学 冶金 数学 几何学
作者
Chunjin Ren,Qiang Li,Chongyi Ling,Jinlan Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (51): 28276-28283 被引量:75
标识
DOI:10.1021/jacs.3c11972
摘要

Photocatalytic reduction of CO2 to high value-added multicarbon (C2+) products is an important way to achieve sustainable production of green energy but limited by the low efficiency of catalysts. One fundamental issue lies in the high complexity of catalyst structure and reaction process, making the rational catalyst design and targeted performance optimization a grand challenge. Herein, we performed a mechanism-guided design of photocatalysts for CO2 reduction by using the experimentally reported Cu doped TiO2 (Cu-TiO2) with high C3H8 selectivity and well-defined structure as the prototype. Our mechanistic study highlights three key factors for C3H8 formation, i.e., formation of double O vacancies (Vdi-O) for selectivity, C–C coupling for activity, and Vdi-O recovery for durability. More importantly, Vdi-O formation/recovery and C–C coupling are negatively correlated, indicating that ideal candidates should achieve a balance between oxygen vacancy (VO) formation and C–C coupling. On this basis, TiO2 with the doping of two adjacent Cu atoms (Cu-Cu-TiO2) was designed with enhanced performance for CO2 photoreduction toward C3H8. Furthermore, a simple descriptor (Nμ, “effective d electron number”) based on inherent atomic properties was constructed to uncover the underlying causes of the performance variation of different systems. These results provide new insights into the “structure–performance” relation of metal oxide-based photocatalysts, thus offering useful strategies for the rational design of excellent catalysts for CO2 photoreduction.
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