Pauling-type adsorption of O2 induced by S-scheme electric field for boosted photocatalytic H2O2 production

材料科学 光催化 异质结 X射线光电子能谱 吸附 氧气 分子 光化学 费米能级 化学工程 光电子学 电子 物理化学 催化作用 有机化学 化学 工程类 物理 量子力学
作者
Shuang Zhou,Da Wen,Wei Zhong,Jianjun Zhang,Yaorong Su,Aiyun Meng
出处
期刊:Journal of Materials Science & Technology [Elsevier BV]
卷期号:199: 53-65 被引量:65
标识
DOI:10.1016/j.jmst.2024.02.048
摘要

The effective adsorption of oxygen (O2) molecules over photocatalysts is a critical step in promoting the performance of photocatalytic H2O2 production. However, g-C3N4 usually features a Yeager-type (side-on) adsorption configuration of O2 molecules, which causes the breaking of O–O bonds and severely hinders the H2O2 production activity. Herein, we synthesized an oxygen-vacancy-rich TiO2–x/g-C3N4 step-scheme (S-scheme) heterojunction to regulate the oxygen adsorption configuration and improve the 2e– ORR selectivity of H2O2 production. In-situ X-ray photoelectron spectroscopy (in-situ XPS) and density functional theory (DFT) calculations reveal that the S-scheme heterojunction is formed between TiO2–x and g-C3N4. The difference between their Fermi levels leads to the electron flow from g-C3N4 to TiO2–x, which increases the electron-deficient sites in g-C3N4. As a result, the cleavage of O–O bonds on the surface of g-C3N4 is avoided and the oxygen adsorption configuration is tuned from Yeager-type to Pauling-type (end-on). Consequently, the photocatalytic H2O2 production rate is dramatically improved to 1780.3 μmol h–1, which is about 5 times higher than that of pristine g-C3N4. This work paves a new way to tailor the oxygen adsorption configuration by rationally designing S-scheme heterojunction photocatalysts.
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