Efficient Charge and Proton Balance Enabled by a 2D/2D S‐Scheme Heterojunction with a Nanochamber Design for Better Synergy of Photocatalytic CO2 Methanation and Benzylamine Oxidation

材料科学 异质结 光催化 苄胺 甲烷化 质子 电荷(物理) 光电子学 光化学 纳米技术 催化作用 有机化学 物理 化学 量子力学
作者
Yan Zhang,Fengying Cao,Shuyi Zhao,Jinkai Zhang,Shuxian Zhong,Hui Mao,Leihong Zhao,Song Bai
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:35 (3) 被引量:20
标识
DOI:10.1002/adfm.202413830
摘要

Abstract Light‐driven CO 2 reduction integrated with benzylamine (BA) oxidation provides a promising means for achieving sustainable development, whereas whose effectiveness is challenged by imbalanced charge transfer/utilization and proton supply/consumption. To conquer these issues, herein, a 2D/2D inorganic/organic S‐scheme heterojunction is reported with a nanochamber design, featuring large‐area interfacial contact between the components for carrier transfers and sufficient exposure of spatially separated redox sites for surface reactions. Remarkably, the designed BiOI@hollow zinc‐porphyrin conjugated polymer (ZnPCP) catalyst delivers a high CH 4 yield of 577.1 µmol g cat −1 h −1 and a stoichiometric N‐benzylidenebenzylamine (BDA) output of 2300.3 µmol g cat −1 h −1 , with both selectivities exceeding 96%. Zn coordination to porphyrin not only amplifies the internal electric field of the heterojunction and induces an intramolecular polarization electric field within ZnPCP, but also facilitates CO 2 adsorption/activation and lowers the energy barriers for CO 2 methanation, improving the charge transfer/separation dynamics and regulating the reduction reaction kinetics. Moreover, hollow chambers increase the photon and charge utilization, and coordinate the proton release and consumption, encouraging the dehydrogenation C─N coupling of BA to BDA, while simultaneously discouraging the hydrogenation of BDA to secondary amines. This study emphasizes the significance of attaining charge and proton equilibrium, providing a fresh avenue for enhancing the efficiency of photoredox catalysis.
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