Metaln+-Metalδ+ pair sites steer C-C coupling for selective CO2 photoreduction to C2 hydrocarbons

化学 拉曼光谱 偶极子 金属 兴奋剂 化学物理 密度泛函理论 联轴节(管道) 光化学 材料科学 计算化学 有机化学 光电子学 物理 光学 冶金
作者
Weiwei Shao,Xiaodong Li,Juncheng Zhu,Xiaolong Zu,Liang Liang,Jun Hu,Yang Pan,Junfa Zhu,Wensheng Yan,Yongfu Sun,Yi Xie
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:15 (3): 1882-1891 被引量:78
标识
DOI:10.1007/s12274-021-3789-x
摘要

The major obstacle for selective CO2 photoreduction to C2 hydrocarbons lies in the difficulty of C-C coupling, which is usually restrained by the repulsive dipole-dipole interaction between adjacent carbonaceous intermediates. Herein, we first construct semiconducting atomic layers featuring abundant Metaln+-Metalδ+ pair sites (0 < δ < n), aiming to tailor asymmetric charge distribution on the carbonaceous intermediates and hence trigger their C-C coupling for selectively yielding C2 hydrocarbons. As an example, we first fabricate Co-doped NiS2 atomic layers possessing abundant Ni2+-Niδ+ (0 < δ < 2) pairs, where Co doping strategy can ensure higher amount of Ni2+-Niδ+ pair sites. In-situ Fourier-transform infrared spectroscopy, quasi in-situ Raman spectroscopy and density-functional-theory calculations disclose the Ni2+-Niδ+ pair sites endow the adjacent CO intermediates with distinct charge densities, thus decreasing their dipole-dipole repulsion and hence lowering the rate-limiting C-C coupling reaction barrier. As a result, in simulated flue gas (10% CO2 balance 90% N2), the ethylene selectivity for Co-doped NiS2 atomic layers reaches up to 74.3% with an activity of 70 µg·g−1·h−1, outperforming previously reported photocatalysts under similar operating conditions.
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