Defect-Mediated Cu–S Pair Active Sites Modulating Proton Supply to Facilitate Overall CO2 Photoreduction with H2O

质子化 催化作用 质子 Atom(片上系统) 吸附 活动站点 反应中间体 质子耦合电子转移 电子转移 材料科学 化学 光化学 物理 物理化学 嵌入式系统 离子 量子力学 有机化学 生物化学 计算机科学
作者
Heng Cao,Xiaodi Zhu,Jiawei Xue,Ruyang Wang,Jiusi Shang,Peiyu Ma,Chengyuan Liu,Jun Bao
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (13): 9734-9741 被引量:49
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c02857
摘要

Precise design of photocatalysts with the demanded active surface structure for highly efficient and selective CO 2 photoreduction is crucial but challenging. Here, by taking CdS as a prototype, single-atom Cu is successfully constructed on Cd-deficient CdS (Cd 1– x S) to improve the performance of CO 2 photoreduction with H 2 O as proton donor. The optimal Cu/Cd 1– x S with Cd vacancies (V Cd )-mediated single-atom Cu exhibits nearly 100% selective CO production and a more than three-fold higher CO evolution rate compared to that of Cd 1– x S. Both experimental identification and DFT theoretical simulation unveil that the V Cd -mediated single-atom Cu render Cu–S pair sites to function as more catalytically active sites for dissociating H 2 O and promoting the corresponding proton supply, which favors the subsequent protonation of the adsorbed CO 2 at the adjacent Cd sites via the two-proton coupled two-electron transfer pathway. This work demonstrates the importance of modulating proton supply from the oxidation half-reaction for facilitating the overall CO 2 photoreduction, advocating an overall-reaction perspective for the design and development of highly efficient and selective CO 2 conversion photocatalysts.
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