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Unlocking Copper-Free Interfacial Asymmetric C–C Coupling for Ethylene Photosynthesis from CO2 and H2O

化学 乙烯 联轴节(管道) 光合作用 有机化学 冶金 催化作用 生物化学 材料科学
作者
Wentao Song,Cheng Wang,Yong Liu,Kok Chan Chong,Xinyue Zhang,Tie Wang,Yuanming Zhang,Bowen Li,Jianwu Tian,Xianhe Zhang,Xinyun Wang,Bingqing Yao,Xi Wang,Yukun Xiao,Yingfang Yao,Xianwen Mao,Qian He,Zhiqun Lin,Zhigang Zou,Bin Liu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (42): 29028-29039 被引量:61
标识
DOI:10.1021/jacs.4c10023
摘要

Solar-driven carbon dioxide (CO2) reduction into C2+ products such as ethylene represents an enticing route toward achieving carbon neutrality. However, due to sluggish electron transfer and intricate C-C coupling, it remains challenging to achieve highly efficient and selective ethylene production from CO2 and H2O beyond capitalizing on Cu-based catalysts. Herein, we report a judicious design to attain asymmetric C-C coupling through interfacial defect-rendered tandem catalytic centers within a sulfur-vacancy-rich MoSx/Fe2O3 photocatalyst sheet, enabling a robust CO2 photoreduction to ethylene without the need for copper, noble metals, and sacrificial agents. Specifically, interfacial S vacancies induce adjacent under-coordinated S atoms to form Fe-S bonds as a rapid electron-transfer pathway for yielding a Z-scheme band alignment. Moreover, these S vacancies further modulate the strong coupling interaction to generate a nitrogenase-analogous Mo-Fe heteronuclear unit and induce the upward shift of the d-band center. This bioinspired interface structure effectively suppresses electrostatic repulsion between neighboring *CO and *COH intermediates via d-p hybridization, ultimately facilitating an asymmetric C-C coupling to achieve a remarkable solar-to-chemical efficiency of 0.565% with a superior selectivity of 84.9% for ethylene production. Further strengthened by MoSx/WO3, our design unveils a promising platform for optimizing interfacial electron transfer and offers a new option for C2+ synthesis from CO2 and H2O using copper-free and noble metal-free catalysts.
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