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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 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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