Copper-Sulfur-Nitrogen Cluster Providing a Local Proton for Efficient Carbon Dioxide Photoreduction

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作者
Jian-Peng Dong,Yue Xu,Xun-Guang Zhang,Huan Zhang,Ling Yao,Rui Wang,Shuang‐Quan Zang
出处
期刊:Research Square - Research Square
标识
DOI:10.21203/rs.3.rs-2708407/v1
摘要

Abstract Atomically precise Cu clusters are highly desirable as catalysts for CO 2 reduction reaction (CO 2 RR), and they provide an appropriate model platform for elaborating their structure–activity relationship. However, an efficient overall photocatalytic CO 2 RR with H 2 O using assembled Cu-cluster aggregates as heterogeneous photosensitive semiconductors has not been reported. Herein, we report a stable crystalline Cu–S–N cluster photocatalyst with local protonated N–H groups (denoted as Cu 6 –NH ). The catalyst exhibits suitable photocatalytic redox potentials, high structural stability, active catalytic species, and a narrow bandgap, which account for its outstanding photocatalytic CO 2 RR performance under visible light, with ~100% selectivity for CO evolution. Remarkably, systematic isostructural Cu-cluster control experiments, in situ infrared spectroscopy, and density functional theory calculations revealed that the protonated pyrimidine N atoms in the Cu 6 –NH cluster act as a proton relay station, providing a local proton during the photocatalytic CO 2 RR. This efficiently lowers the energy barrier for the formation of the *COOH intermediate, which is the rate-limiting step, efficiently enhancing the photocatalytic performance. This work lays the foundation for the development of atomically precise metal-cluster-based photocatalysts.
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