Structure‐Function Relationship of p‐Block Bismuth for Selective Photocatalytic CO2 Reduction

光催化 化学 选择性 吸附 光化学 氧气 电子能带结构 空位缺陷 材料科学 催化作用 物理化学 结晶学 有机化学 量子力学 物理
作者
Jingwei Li,Tianci Xiang,Xiang Liu,Mohamed Nawfal Ghazzal,Zhao‐Qing Liu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (33): e202407287-e202407287 被引量:60
标识
DOI:10.1002/anie.202407287
摘要

Abstract Selective photocatalytic reduction of CO 2 to value‐added fuels, such as CH 4 , is highly desirable due to its high mass‐energy density. Nevertheless, achieving selective CH 4 with higher production yield on p ‐block materials is hindered by non‐ideal adsorption of *CHO key intermediate and an unclear structure‐function relationship. Herein, we unlock the key reaction steps of CO 2 and found a volcano‐type structure‐function relationship for photocatalytic CO 2 ‐to‐CH 4 conversion by gradual reduction of the p‐ band center of the p ‐block Bi element leading to formation of Bi‐oxygen vacancy heterosites. The selectivity of CH 4 is also positive correlation with adsorption energy of *CHO. The Bi‐oxygen vacancy heterosites with an appropriate filled Bi‐6 p orbital electrons and p band center (−0.64) enhance the coupling between C‐2 p of *CHO and Bi‐6 p orbitals, thereby resulting in high selectivity (95.2 %) and productivity (17.4 μmol g −1 h −1 ) towards CH 4 . Further studies indicate that the synergistic effect between Bi‐oxygen vacancy heterosites reduces Gibbs free energy for *CO‐*CHO process, activates the C−H and C=O bonds of *CHO, and facilitates the enrichment of photoexcited electrons at active sites for multielectron photocatalytic CO 2 ‐to‐CH 4 conversion. This work provides a new perspective on developing p ‐block elements for selective photocatalytic CO 2 conversion.
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