Charge Photoaccumulation in Covalent Polymer Networks for Boosting Photocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia

光催化 氧化还原 氨生产 催化作用 硝酸盐 材料科学 电子转移 光电阴极 共价键 化学 光化学 化学工程 纳米技术 无机化学 电子 物理 有机化学 工程类 量子力学
作者
Xinjia He,Yingke Wen,Yanjie Fang,Mengjie Li,Bing Shan
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:11 (23): e2401878-e2401878 被引量:15
标识
DOI:10.1002/advs.202401878
摘要

Abstract In the design of photoelectrocatalytic cells, a key element is effective photogeneration of electron‐hole pairs to drive redox activation of catalysts. Despite recent progress in photoelectrocatalysis, experimental realization of a high‐performance photocathode for multi‐electron reduction of chemicals, such as nitrate reduction to ammonia, has remained a challenge due to difficulty in obtaining efficient electrode configurations for extraction of high‐throughput electrons from absorbed photons. This work describes a new design for catalytic photoelectrodes using chromophore assembly‐functionalized covalent networks for boosting eight‐electron reduction of nitrate to ammonia. Upon sunlight irradiation, the photoelectrode stores a mass of reducing equivalents at the photoexcited chromophore assembly for multielectron reduction of a copper catalyst, enabling efficient nitrate reduction to ammonia. By introducing the new photoelectrode structure, it is demonstrated that the electronic interplay between charge photo‐accumulating assembly and multi‐electron redox catalysts can be optimized to achieve proper balance between electron transfer dynamics and thermodynamic output of photoelectrocatalytic systems.
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