Selective CO2 Photoreduction into C2 Product Enabled by Charge-Polarized Metal Pair Sites

金属 X射线光电子能谱 化学 分子 电荷密度 选择性 电子 材料科学 解吸 化学物理 光化学 无机化学 物理化学 催化作用 吸附 化学工程 有机化学 工程类 物理 量子力学
作者
Shan Zhu,Xiaodong Li,Xingchen Jiao,Weiwei Shao,Li Li,Xiaolong Zu,Jun Hu,Junfa Zhu,Wensheng Yan,Chengming Wang,Yongfu Sun,Yi Xie
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:21 (5): 2324-2331 被引量:134
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.1c00383
摘要

Selective CO2 photoreduction into a high-energy-density C2 product is still challenging. Here, charge-polarized metal pair sites are designed to trigger C-C coupling through manipulating asymmetric charge distribution on the reduction intermediates. Taking the synthetic partially reduced Co3O4 nanosheets as an example, theoretical calculations unveil the asymmetric charge distribution on surface cobalt sites. The formed charge-polarized cobalt pair sites not only donate electrons to CO2 molecules but also accelerate the coupling of asymmetric COOH* intermediates through lowering the energy barrier from 0.680 to 0.240 eV, affirmed by quasi in situ X-ray photoelectron spectroscopy and Gibbs free energy calculations. Also, the electron-rich cobalt sites strengthen their interaction with O of the HOOC-CH2O* intermediate, which favors the C-O bond cleavage and hence facilitates the rate-limiting CH3COOH desorption process. The partially reduced Co3O4 nanosheets achieve 92.5% selectivity of CH3COOH in simulated air, while the CO2-to-CH3COOH conversion ratio is 2.75%, obviously higher than that in pure CO2.
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