Dimensionality- and Pathway-Engineered Charge Transport Dynamics Mediate Divergent Product Selectivity in Photocatalysis

化学 光催化 选择性 电荷(物理) 动力学(音乐) 产品(数学) 光化学 化学物理 分子动力学 催化作用 纳米技术 载流子 化学工程
作者
Yi-Wen Han,Run-Yu Liu,Lei Ye,Yuxin Zhang,Tian‐Jun Gong,Xuebin Lu,Ning Yan,Yao Fu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (14): 14889-14903 被引量:5
标识
DOI:10.1021/jacs.5c20588
摘要

Shifting from conventional thermodynamic descriptors toward charge transport dynamics regulation has emerged as an innovative-catalyst-design methodology. A general strategy is developed for synthesizing Sv-chalcogenide/Ti 3 C 2 photocatalytic architectures (Sv represents sulfur vacancies; chalcogenides include Zn 0.5 Cd 0.5 S, ZnIn 2 S 4, CdIn 2 S 4, CdS) featuring core–shell dual-tunable parameters via metal–organic frameworks-templated topotactic transformation and defect-mediated heterocomponent anchorage. These nanoreactors leverage controlled charge transport behavior, encompassing charge transport dimensionality and charge transport pathway, to manipulate specific molecular catalytic behavior, dictating polyethylene terephthalate (PET) photoreforming pathway bifurcation between dehydrogenation (glyoxylic acid, CHOCOOH) and hydrodeoxygenation (acetic acid, CH 3 COOH). Specifically, the Zn 0.5 Cd 0.5 S topotactic lattice transformation regulates charge transport dimensionality to control the catalyst-substrate interaction/distortion energy, thereby enabling electronic-configuration-dependent adsorption and selective activation of key intermediates for divergent product generation. The Zn 0.5 Cd 0.5 S/Ti 3 C 2 interfacial built-in electric field (BIEF) establishment creates directional charge transport pathways that induce photocarrier localization/delocalization, resulting in robust productivity feedback. These adjustable-configuration catalysts achieve dehydrogenation-dominated CHOCOOH (81% selectivity, 2.63 mmol·g –1 ·h –1 ) on Sv-Zn 0.5 Cd 0.5 S-thin/Ti 3 C 2 and hydrodeoxygenation-driven CH 3 COOH (86% selectivity, 1.53 mmol·g –1 ·h –1 ) on Sv-Zn 0.5 Cd 0.5 S-bulk/Ti 3 C 2 during PET conversion. This work establishes a pioneering paradigm for geometrical transformation-charge transport dimensionality-reaction pathway switching and interfacial engineering-charge transport pathway-catalytic activity improvement, elucidating the substantial impact of charge transport behavior on specific molecular catalytic behavior.
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