Facile Top-Down Strategy for Direct Metal Atomization and Coordination Achieving a High Turnover Number in CO2 Photoreduction

化学 热解炭 价(化学) 金属 部分 吸附 价电子 键裂 单独一对 催化作用 化学物理 电子 纳米技术 分子 立体化学 物理化学 有机化学 热解 材料科学 量子力学 物理
作者
Yunxiang Li,Shengyao Wang,Xusheng Wang,Yu He,Qi Wang,Yingbo Li,Mengli Li,Gaoliang Yang,Jun‐Dong Yi,Huiwen Lin,Dekang Huang,Lan Li,Hao Chen,Jinhua Ye
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (45): 19259-19267 被引量:161
标识
DOI:10.1021/jacs.0c09060
摘要

Developing unique single atoms as active sites is vitally important to boosting the efficiency of photocatalytic CO2 reduction, but directly atomizing metal particles and simultaneously adjusting the configuration of individual atoms remain challenging. Herein, we demonstrate a facile strategy at a relatively low temperature (500 °C) to access the in situ metal atomization and coordination adjustment via the thermo-driven gaseous acid. Using this strategy, the pyrolytic gaseous acid (HCl) from NH4Cl could downsize the large metal particles into corresponding ions, which subsequently anchored onto the surface defects of a nitrogen-rich carbon (NC) matrix. Additionally, the low-temperature treatment-induced C═O motifs within the interlayer of NC could bond with the discrete Fe sites in a perpendicular direction and finally create stabilized Fe-N4O species with high valence status (Fe3+) on the shallow surface of the NC matrix. It was found that the Fe-N4O species can achieve a highly efficient CO2 conversion when accepting energetic electrons from both homogeneous and heterogeneous photocatalysts. The optimized sample achieves a maximum turnover number (TON) of 1494 within 1 h in CO generation with a high selectivity of 86.7% as well as excellent stability. Experimental and theoretical results unravel that high valence Fe sites in Fe-N4O species can promote the adsorption of CO2 and lower the formation barrier of key intermediate COOH* compared with the traditional Fe-N4 moiety with lower chemical valence. Our discovery provides new points of view in the construction of more efficient single-atom cocatalysts by considering the optimization of the atomic configuration for high-performance CO2 photoreduction.
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