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Boosting Solar‐Driven CO2 Conversion to Ethanol via Single‐Atom Catalyst with Defected Low‐Coordination Cu‐N2 Motif

催化作用 Boosting(机器学习) 乙醇 化学 光伏系统 主题(音乐) 结晶学 光化学 纳米技术 材料科学 有机化学 物理 计算机科学 生态学 机器学习 声学 生物
作者
Hainan Shi,Liang Yan,Jungang Hou,Haozhi Wang,Zhenghao Jia,Jiaming Wu,Fei Song,Hong Yang,Xinwen Guo
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:136 (31) 被引量:8
标识
DOI:10.1002/ange.202404884
摘要

Abstract Cu‐based catalysts have been shown to selectively catalyze CO 2 photoreduction to C 2+ solar fuels. However, they still suffer from poor activity and low selectivity. Herein, we report a high‐performance carbon nitride supported Cu single‐atom catalyst featuring defected low‐coordination Cu‐N 2 motif (Cu‐N 2 ‐V). Lead many recently reported photocatalysts and its Cu‐N 3 and Cu‐N 4 counterparts, Cu‐N 2 ‐V exhibits superior photocatalytic activity for CO 2 reduction to ethanol and delivers 69.8 μmol g −1 h −1 ethanol production rate, 97.8 % electron‐based ethanol selectivity, and a yield of ~10 times higher than Cu‐N 3 and Cu‐N 4 . Revealed by the extensive experimental investigation combined with DFT calculations, the superior photoactivity of Cu‐N 2 ‐V stems from its defected Cu‐N 2 configuration, in which the Cu sites are electron enriched and enhance electron delocalization. Importantly, Cu in Cu‐N 2 ‐V exist in both Cu + and Cu 2+ valence states, although predominantly as Cu + . The Cu + sites support the CO 2 activation, while the co‐existence of Cu + /Cu 2+ sites are highly conducive for strong *CO adsorption and subsequent *CO‐*CO dimerization enabling C−C coupling. Furthermore, the hollow microstructure of the catalyst also promotes light adsorption and charge separation efficiency. Collectively, these make Cu‐N 2 ‐V an effective and high‐performance catalyst for the solar‐driven CO 2 conversion to ethanol. This study also elucidates the C‐C coupling reaction path via *CO‐*CO to *COCOH and rate‐determining step, and reveals the valence state change of partial Cu species from Cu + to Cu 2+ in Cu‐N 2 ‐V during CO 2 photoreduction reaction.
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