Polaron Delocalization Regulating Oxygen Reduction Selectivity and Directional Charge Transfer for Enhanced Dark Photocatalytic H2O2 Synthesis

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作者
Mengxin Liu,Pu Zhang,Boran Chen,Zhenyu Yang,Huinan Che,Yanhui Ao
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:16 (15): 14932-14942
标识
DOI:10.1021/acscatal.6c03729
摘要

Abstract Dark photocatalysis decouples light harvesting from catalysis via photogenerated charge storage, enabling H2O2 production under intermittent illumination. However, increasing electron-storage capacity alone does not ensure efficient dark-state H2O2 production, and how stored electronic states influence oxygen reduction reaction (ORR) remains unclear. Here, we show that polaron delocalization contributes to multi-electron ORR selectivity in poly(heptazine imide) (PHI), allowing dark photocatalytic H2O2 synthesis. Sulfonated PHI (S-HPHI) delivers a 2.5-fold higher H2O2 yield (588.9 μmol g–1) than protonated PHI (HPHI, 237.3 μmol g–1) despite comparable net photo-contributed electron-storage capacities (1441–1752 μmol e– g–1). This enhancement is consistent with the higher electron utilization efficiency toward H2O2 formation (81.7% for S-HPHI versus 27.1% for HPHI), enabled by sulfonation-induced polaron delocalization. Combined experimental and theoretical analyses reveal that sulfonation promotes polaron delocalization and disperses structural relaxation during photocharging. These changes are consistent with reduced electron self-trapping and facilitated directional electron transfer to adsorbed O2, which may contribute to suppressing O–O bond cleavage in proton-coupled electron transfer steps. This favors enhanced selectivity toward H2O2 formation even at high stored-electron densities. These findings highlight polaron delocalization as an important factor contributing to improved reaction selectivity in dark photocatalysis.
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