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Selective CO 2 ‐to‐CH 4 Photoreduction Enabled by Au/TiO 2 ‐ V Ti Nanosheets via Boosting H 2 O Dissociation and CO Protonation

离解(化学) 光化学 质子化 甲烷化 材料科学 催化作用 光谱学 吸热过程 电子顺磁共振 解吸 红外光谱学 光催化 无机化学 放热反应 氧化物 过渡金属 吸收光谱法 金属 钌系 吸附 物理化学 格式化 纳米材料基催化剂 反应中间体 一氧化碳 热脱附光谱法
作者
Kai Zheng,Bangwang Li,Yue Zheng,Xiulai Zhang,Runhua Chen,Shengyue Zhang,S. Liu,Juncheng Zhu,Jianyi Liu,Wenxiu Liu,J. Y. Hu,Chengyuan Liu,Fanfei Sun,Zhongqin Dai,Yongfu Sun,Yi Xie
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:16 (14) 被引量:2
标识
DOI:10.1002/aenm.202506793
摘要

ABSTRACT Photocatalytic CO 2 methanation is fundamentally constrained by two intertwined bottlenecks: inefficient proton generation from H 2 O dissociation and the premature desorption of the critical * CO intermediate. Here, we design metal cation vacancy clusters‐O − motifs for accelerating H 2 O dissociation and boosting * CO protonation, while supported metal sites for CO 2 activation over metal‐anchored metal oxide nanosheets. As a prototype, we fabricate Au/TiO 2 ‐ V Ti nanosheets, where synchrotron‐radiation X‐ray absorption fine structure and electron paramagnetic resonance spectroscopy confirm V Ti ‐O − and coordination‐unsaturated Au sites. Density‐functional‐theory calculations reveal the creation of V Ti ‐O − sites drive the step of * CO protonation toward * CHO from an endothermic process (0.09 eV) to an exothermic one (−0.29 eV), and concurrently the energy for H 2 O dissociation into protons is lowered by a factor of two (1.31 eV → 0.65 eV). In situ Fourier‐transform infrared spectroscopy directly captures a distinct * CO intermediate, confirming its stabilization on the photocatalyst surface and thereby promoting the protonation step toward * CHO. Consequently, the Au/TiO 2 ‐ V Ti nanosheets show a superior CH 4 formation rate of 156.5 µmol g −1 h −1 with near‐100% selectivity. Briefly, this work offers key insights into CO 2 methanation bottlenecks and proposes a catalyst design blueprint to advance CO 2 valorization.
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