Photocatalytic H2O2 Production with >30% Quantum Efficiency via Monovalent Copper Dynamics

化学 铜 光催化 量子 生产(经济) 量子化学 催化作用 量子力学 有机化学 分子 物理 宏观经济学 经济
作者
Fan Yang,Chengyang Feng,Shouwei Zuo,Qingxiao Wang,Fen Wei,Miao Hu,Yuanfu Ren,Dongzhi Liu,Wan‐Lu Li,Sibo Wang,Hassan S. Alqahtani,Yun Hau Ng,Huabin Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (20): 17112-17120 被引量:84
标识
DOI:10.1021/jacs.5c02450
摘要

Photocatalytic O 2 reduction to H 2 O 2 is a green and promising technology with advantages in cost-effectiveness, sustainability, and environmental friendliness, but its efficiency is constrained by limited selectivity for the two-electron oxygen reduction reaction (ORR) pathway. Here, we anchored isolated Cu atoms with tunable oxidation states onto WO 3 as effective active centers to enhance photocatalytic H 2 O 2 production. Due to the charge compensation between single atoms and the support, the oxidation state of Cu species exhibited a loading-dependent transition between +2 and +1 valence. Experimental and theoretical analyses indicate that Cu(I) sites exhibit outstanding O 2 adsorption and activation capabilities, transforming the thermodynamically unfavorable hydrogenation of the *OOH intermediate (the rate-determining step in the two-electron ORR pathway) into an exothermic process, thereby significantly improving selectivity and efficiency. The Cu(I)-SA/WO 3 photocatalyst exhibited a H 2 O 2 production rate of 102 μmol h –1 under visible light irradiation, much higher than other reported photocatalysts. More importantly, it achieves an impressive apparent quantum efficiency of 30% at 420 nm, making a significant breakthrough in this field. This work provides novel perspectives for designing single-atom catalysts for efficient H 2 O 2 synthesis via electronic state modulation.
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