Solar Hydrogen Production Using Carbon Quantum Dots and a Molecular Nickel Catalyst

光催化 催化作用 化学 制氢 水溶液 光化学 铂金 可见光谱 化学工程 碳纤维 分解 有机化学 材料科学 光电子学 复合数 复合材料 工程类
作者
Benjamin Martindale,Georgina A. M. Hutton,Christine A. Caputo,Erwin Reisner
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:137 (18): 6018-6025 被引量:522
标识
DOI:10.1021/jacs.5b01650
摘要

Carbon quantum dots (CQDs) are established as excellent photosensitizers in combination with a molecular catalyst for solar light driven hydrogen production in aqueous solution. The inexpensive CQDs can be prepared by straightforward thermolysis of citric acid in a simple one-pot, multigram synthesis and are therefore scalable. The CQDs produced reducing equivalents under solar irradiation in a homogeneous photocatalytic system with a Ni-bis(diphosphine) catalyst, giving an activity of 398 μmolH2 (gCQD)(-1) h(-1) and a "per Ni catalyst" turnover frequency of 41 h(-1). The CQDs displayed activity in the visible region beyond λ > 455 nm and maintained their full photocatalytic activity for at least 1 day under full solar spectrum irradiation. A high quantum efficiency of 1.4% was recorded for the noble- and toxic-metal free photocatalytic system. Thus, CQDs are shown to be a highly sustainable light-absorbing material for photocatalytic schemes, which are not limited by cost, toxicity, or lack of scalability. The photocatalytic hybrid system was limited by the lifetime of the molecular catalyst, and intriguingly, no photocatalytic activity was observed using the CQDs and 3d transition metal salts or platinum precursors. This observation highlights the advantage of using a molecular catalyst over commonly used heterogeneous catalysts in this photocatalytic system.

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