Molecular Design of Two-Dimensional Covalent Heptazine Frameworks for Photocatalytic Overall Water Splitting under Visible Light

分解水 光催化 共价键 带隙 光催化分解水 材料科学 可见光谱 光化学 化学物理 析氧 纳米技术 化学 光电子学 物理化学 催化作用 电化学 有机化学 生物化学 电极
作者
Haiyun Wang,Hao Cheng,Haifeng Lv,Hangxun Xu,Xiaojun Wu,Jinlong Yang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:13 (17): 3949-3956 被引量:36
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.2c00819
摘要

Photocatalytic water splitting sustainably offers clean hydrogen energy, but it is challenging to produce low-cost photocatalysts that split water stoichiometrically into H2 and O2 without sacrificial agents under visible light. Here, we designed 17 two-dimensional (2D) covalent heptazine frameworks (CHFs) by topologically assembling heptazine and benzene-containing molecular units that provide active sites for hydrogen and oxygen evolution reactions, respectively. Among them, 12 CHFs have band gap values of <3.0 eV with band margins straddling the chemical reaction potential of H2/H+ and O2/H2O. In particular, a 2D H@DBTD CHF based on heptazine and 4,7-diphenyl-2,1,3-benzothiadiazole is a potential photocatalyst with a band gap of 2.47 eV for overall water splitting, which was confirmed with the calculated Gibbs free energy, non-adiabatic molecular dynamics, and preliminary experiment. This study presents an experimentally feasible molecular design of 2D CHFs as metal-free photocatalysts for overall water splitting under visible light.
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