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Water Splitting with a Single-Atom Cu/TiO2 Photocatalyst: Atomistic Origin of High Efficiency and Proposed Enhancement by Spin Selection

光催化 分解水 化学物理 光化学 材料科学 半导体 化学 光催化分解水 催化作用 光电子学 生物化学
作者
Cheng Cheng,Wei‐Hai Fang,Run Long,Oleg V. Prezhdo
出处
期刊:JACS Au [American Chemical Society]
卷期号:1 (5): 550-559 被引量:109
标识
DOI:10.1021/jacsau.1c00004
摘要

Anatase TiO2 is an intensely investigated photocatalytic material due to its abundance and chemical stability. However, it suffers from weak light harvesting and low photocatalytic efficiency. Experiments show that light absorption and photocatalytic properties can be enhanced simultaneously by TiO2 doping with well-dispersed Cu atoms, forming a single-atom catalyst (Cu/TiO2) that can be used for solar water splitting and other applications. By performing ab initio nonadiabatic molecular dynamics simulations, we demonstrate that Cu/TiO2 is inactive before light irradiation due to rapid electron–hole recombination via both shallow and deep traps. Surprisingly, the shallow trap is more detrimental to the Cu/TiO2 performance than the deep trap because it couples better to free carriers. After light irradiation, leading to electron transfer and Cu/TiO2 protonation, the shallow trap is eliminated, and a local distortion around the Cu atom stabilizes the deep trap state on the Cu d-orbital, decoupling it from free charges and giving rise to high photocatalytic hydrogen generation activity. We further demonstrate that the photocatalytic performance of Cu/TiO2 can be enhanced by spin selection, achievable experimentally via optical intersite spin transfer or chiral semiconductor coating. Both H adsorption and spin selection enhance charge carrier lifetimes by an order of magnitude. The spin selection mechanism does not require formation of the H species, which necessitates concurrent sources of electrons and protons and which is intrinsically unstable because water splitting involves frequent proton shuffling. Our results rationalize the experimental observations at the atomistic level, provide mechanistic insights into operation of single atom photocatalysis, and demonstrate that spin selection can be used to develop advanced and efficient systems for solar energy conversion.
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