Synergistic Enhancement of H2and CH4Evolution by CO2Photoreduction in Water with Reduced Graphene Oxide–Bismuth Monoxide Quantum Dot Catalyst

石墨烯 催化作用 氧化物 电子转移 量子点 光催化 材料科学 光化学 人工光合作用 分解水 量子效率 纳米技术 化学工程 化学 光电子学 有机化学 冶金 工程类
作者
Songmei Sun,Motonori Watanabe,Pangpang Wang,Tatsumi Ishihara
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:2 (3): 2104-2112 被引量:36
标识
DOI:10.1021/acsaem.8b02153
摘要

Photocatalytic water splitting or CO2 reduction is one of the most promising strategies for solar energy conversion into hydrogen-containing fuels. However, these two processes typically compete with each other, which significantly decreases the solar energy conversion efficiency. Herein, we report for the first time this competition can be overcome by modulation of reactive sites and electron transfer pathway of heterogeneous photocatalysts. As a prototype, BiO composite reduced graphene oxide quantum dots (RGO-BiO QDs) were synthesized, which can provide large amounts of photogenerated electrons as well as individual reactive sites for H+ and CO2 reduction. The productivity of H2, CH4, and CO by the RGO-BiO QDs catalyst were 102.5, 21.75, and 4.5 μmol/(g·h), respectively, in pure water without the assistance of any cocatalyst or sacrificial agent. The apparent quantum efficiency at 300 nm reached to 4.2%, which is more than 10 times higher than that of RGO-TiO2 QDs (0.28%) under the same conditions. In situ DRIFT, ESR, and photoelectrochemical studies confirmed that the unique circled electron transfer pathway (Evb(BiO) → Ecb(BiO) → Ef(RGO) → EVo•(BiO)) and the large amount of separated different reactive sites are responsible for the highly efficient simultaneous H2 evolution and CO2 reduction performance.
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