Highly Selective Photocatalytic CO2 Reduction to C2H6 via Nanocluster-Single Atom-Vacancy on Ceria: Synergistic Mechanism and Orbital Effects

空位缺陷 Atom(片上系统) 材料科学 光催化 还原(数学) 化学物理 物理化学 原子物理学 化学 结晶学 催化作用 物理 生物化学 几何学 数学 计算机科学 嵌入式系统
作者
Yingnan Duan,Hexiang Zhao,Jixiang Ji,Zhurui Shen,Y. F. Wang,Yaping Du
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:25 (15): 6227-6234 被引量:18
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.5c00791
摘要

The photocatalytic reduction of CO2 to high-value C2 products involves sluggish multiple proton–electron couplings, resulting in low efficiency and selectivity. This study demonstrates that palladium (Pd) single-atom (PdSA)- and Pd nanocluster (PdNCs)-loaded CeO2 with abundant oxygen vacancies (Ov) synergistically enhance photocatalytic CO2-to-ethane (C2H6) conversion effectively and selectively. The PdSA+NCs/CeO2 photocatalyst achieves 80.4% electron selectivity for C2H6 production with an electron consumption rate of 206.3 μmol gcat–1 h–1 in pure water, representing a 172.4-fold enhancement over pristine CeO2. PdNCs interact with neighboring PdSA and Ov to form a Fermi level with the continuous characteristics of discrete energy levels, improving the charge distribution in local spatial electric fields. This enhancement favors electron migration from the π to σ orbital of COCO*, promoting C–C coupling. Our findings provide new insights to rationally design synergistic interactions between SA, NCs, and Ov to achieve high selectivity toward C2 products.
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