Aligning Electronic and Protonic Energy Levels of Proton‐Coupled Electron Transfer in Water Oxidation on Aqueous TiO2

过电位 质子耦合电子转移 电子转移 质子 水溶液 化学物理 Pourbaix图 分解水 化学 电子 催化作用 材料科学 光化学 电化学 物理化学 电极 物理 光催化 有机化学 量子力学
作者
Jun Cheng,Xiandong Liu,John A. Kattirtzi,Joost VandeVondele,Michiel Sprik
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:53 (45): 12046-12050 被引量:75
标识
DOI:10.1002/anie.201405648
摘要

Abstract The high overpotential in water oxidation on anodes is a limiting factor for the large‐scale application of photoelectrochemical cells. To overcome this limitation, it is essential to understand the four proton‐coupled electron transfer (PCET) steps in the reaction mechanism and their implications to the overpotential. Herein, a simple scheme to compute the energies of the PCET steps in water oxidation on the aqueous TiO 2 surface using a hybrid density functional is described. An energy level diagram for fully decoupled electron‐ and proton‐transfer reactions in which both electronic and protonic levels are placed on the same potential scale is also described. The level diagram helps to visualize the electronic and protonic components of the overpotential, and points out what are needed to improve. For TiO 2 , it is found that its catalytic activity is due to aligning the protonic energy levels in the PCET steps, while improving the activity requires also aligning the electronic levels.

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