Lewis Acid–Base Dual Sites Enabled by Mg 2+ Doping in CdS Quantum Dots for Selective Photocatalytic CO 2 Reduction to CH 4

材料科学 量子点 光催化 兴奋剂 还原(数学) 路易斯酸 基础(拓扑) 无机化学 核化学 纳米技术 光电子学 催化作用 有机化学 化学 数学 几何学 数学分析
作者
Jiale Liu,Zhihong Liu,Ping Lu,Jin Wang,Yi Lu,Shishun Xu,Guocan Jiang,Sheng Li,Jie Shao,Zhengquan Li
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:36 (6) 被引量:35
标识
DOI:10.1002/adfm.202509666
摘要

Abstract Photocatalytic CO 2 reduction using semiconductor quantum dots (QDs) holds great promise for solar‐to‐fuel conversion, yet challenges in selectivity and efficiency remain barriers to applications. Herein, a Mg 2+ ‐doped CdS (Mg:CdS) QDs is presented that enables highly selective CH 4 production via a dual‐site catalytic mechanism. Experimental and theoretical investigations reveal that Mg 2+ doping induces profound electronic and structural modifications in CdS QDs. Notably, Mg 2+ doping introduces distinct Lewis acid–base dual sites on the QD surface, effectively promoting CO 2 adsorption and activation through a Cd⋯C═O⋯Mg interaction. This unique activation pathway, elucidated via in situ infrared spectroscopy and density functional theory calculations, facilitates the formation of *CHO intermediates by reducing the O─C─O bond angle and weakening C═O bonds, thereby steering the reaction selectivity toward CH 4 . As a result, the Mg:CdS QDs achieve an exceptional CH 4 selectivity of 88.7% with a production rate of 45.8 µmol g −1 h −1 under simulated solar irradiation, significantly surpassing undoped CdS. This study not only unveils a novel mechanistic paradigm for alkaline earth metal doping in CO 2 photoreduction but also provides a strategy for engineering highly selective QD photocatalysts for solar‐driven CO 2 conversion.
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