Revealing the Structure of Single Cobalt Sites in Carbon Nitride for Photocatalytic CO 2 Reduction

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作者
Peipei Huang,Jiahao Huang,Junying Li,Thang Duc Pham,Lei Zhang,Jie He,Gary W. Brudvig,N. Aaron Deskins,Anatoly I. Frenkel,Gonghu Li
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:126 (20): 8596-8604 被引量:29
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.2c01216
摘要

Single Co 2+ sites in graphitic carbon nitride (C 3 N 4 ) have demonstrated excellent activity and selectivity in photocatalytic CO 2 reduction. In this work, we combine computational and spectroscopic tools, including X-ray absorption spectroscopy, to probe the structure of such single Co 2+ sites. Our results indicate that the Co 2+ sites exist in the Co–N 2+2 coordination at the edges of C 3 N 4 flakes. This mode of coordination is further supported by experimental results obtained using single Co 2+ sites in C 3 N 4 materials treated with NH 3, which contain more edge sites than untreated C 3 N 4 . In our experimental observations, doping C 3 N 4 with carbon is found to be important for the photocatalytic properties of the single Co 2+ sites. A simplified model is proposed to explain the origin of the observed enhancement effect of C doping. In this model, the presence of C dopant near the metal centers results in shorter Co–N bond length and stronger Co–N binding energy. In addition to enhanced light absorption and charge separation in C-doped C 3 N 4, the stronger Co–N binding upon C doping likely contributes to the improved catalytic properties of the single Co 2+ sites.
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