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

化学 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,H. Miao,Yuanfu Ren,Dongzhi Liu,Wan‐Lu Li,Si-Bo Wang,Hassan S. Alqahtani,Yun Hau Ng,Huabin Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c02450
摘要

Photocatalytic O2 reduction to H2O2 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 WO3 as effective active centers to enhance photocatalytic H2O2 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 O2 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/WO3 photocatalyst exhibited a H2O2 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 H2O2 synthesis via electronic state modulation.
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