Ultrahigh Photocatalytic Rate at a Single‐Metal‐Atom‐Oxide

光催化 材料科学 氧化物 催化作用 Atom(片上系统) 金属 激发态 纳米技术 光化学 轨道能级差 电子转移 化学物理 原子物理学 分子 化学 物理 有机化学 冶金 嵌入式系统 计算机科学
作者
Cong Wang,Ang Li,Chong Li,Shengbai Zhang,Hui Li,Xiaoyuan Zhou,Liming Hu,Yibo Feng,Kaiwen Wang,Zhu Zhu,Ruiwen Shao,Yanhui Chen,Peng Gao,Shengcheng Mao,Jun Huang,Ze Zhang,Xiaodong Han
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:31 (52): e1903491-e1903491 被引量:78
标识
DOI:10.1002/adma.201903491
摘要

Metal oxides, as one of the mostly abundant and widely utilized materials, are extensively investigated and applied in environmental remediation and protection, and in energy conversion and storage. Most of these diverse applications are the result of a large diversity of the electronic states of metal oxides. Noticeably, however, many metal oxides present obstacles for applications in catalysis, mainly due to the lack of efficient active sites with desired electronic states. Here, the fabrication of single-tungsten-atom-oxide (STAO) is demonstrated, in which the metal oxide's volume reaches its minimum as a unit cell. The catalytic mechanism in the STAO is determined by a new single-site physics mechanism, named as quasi-atom physics. The photogenerated electron transfer process is enabled by an electron in the spin-up channel excited from the highest occupied molecular orbital to the lowest unoccupied molecular orbital +1 state, which can only occur in STAO with W5+ . STAO results in a record-high and stable sunlight photocatalytic degradation rate of 0.24 s-1 , which exceeds the rates of available photocatalysts by two orders of magnitude. The fabrication of STAO and its unique quasi-atom photocatalytic mechanism lays new ground for achieving novel physical and chemical properties using single-metal-atom oxides (SMAO).
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