Transition from Sequential to Concerted Proton-Coupled Electron Transfer of Water Oxidation on Semiconductor Photoanodes

化学 电子转移 质子耦合电子转移 质子 半导体 动力学同位素效应 动力学 光化学 化学物理 无机化学 原子物理学 光电子学 氘 量子力学 物理
作者
Siqin Liu,Lei Wu,Daojian Tang,Jing Xue,Kun Dang,Hanbin He,Shuming Bai,Hongwei Ji,Chuncheng Chen,Yuchao Zhang,Jincai Zhao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (43): 23849-23858 被引量:51
标识
DOI:10.1021/jacs.3c09410
摘要

Accelerating proton transfer has been demonstrated as key to boosting water oxidation on semiconductor photoanodes. Herein, we study proton-coupled electron transfer (PCET) of water oxidation on five typical photoanodes [i.e., α-Fe2O3, BiVO4, TiO2, plasmonic Au/TiO2, and nickel-iron oxyhydroxide (Ni1-xFexOOH)-modified silicon (Si)] by combining the rate law analysis of H2O molecules with the H/D kinetic isotope effect (KIE) and operando spectroscopic studies. An unexpected and universal half-order kinetics is observed for the rate law analysis of H2O, referring to a sequential proton-electron transfer pathway, which is the rate-limiting factor that causes the sluggish water oxidation performance. Surface modification of the Ni1-xFexOOH electrocatalyst is observed to break this limitation and exhibits a normal first-order kinetics accompanied by much enhanced H/D KIE values, facilitating the turnover frequency of water oxidation by 1 order of magnitude. It is the first time that Ni1-xFexOOH is found to be a PCET modulator. The rate law analysis illustrates an effective strategy for modulating PCET kinetics of water oxidation on semiconductor surfaces.
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