Density Functional Theory-Guided Synthesis of Cu-N-TiO2 for Overall Water Splitting by Breaking the Scaling Relationship

缩放比例 密度泛函理论 分解水 材料科学 物理 统计物理学 数学 化学 量子力学 几何学 催化作用 光催化 生物化学
作者
Wenhao Jing,Guiwei He,Shengjie Bai,Feng Wang,Ya Liu,Liejin Guo
出处
期刊:ACS materials letters [American Chemical Society]
卷期号:: 1347-1355 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsmaterialslett.4c00066
摘要

For solar-driven overall pure water splitting, a superior photocatalyst with reasonable atomic and electronic structure is needed to be suitable for both half-reactions, HER and OER. TiO2 has showcased remarkable catalytic efficiency in the field of HER but it still encounters obstacles in accomplishing proficient overall water splitting. Within this work, following a sequential screening based on element type, stability, electronic structure, and adsorption energy, we designed a TiO2-based catalyst screening workflow for solar-driven overall water splitting. This DFT-based workflow significantly reduced both the time and trial-and-error costs associated with a traditional experimental design. It precisely guided the synthesis of highly dispersed Cu-loaded/N-doped TiO2, which facilitated sacrificial-agent-free solar-driven overall water splitting, resulting in a solar to fuel efficiency of 0.2% and an H2 yield of 1027.7 μmol/h/g. Advanced DFT calculations revealed that the d–p orbital coupling between Cu and N broke the scaling relationship of the O-based intermediates. This work holds promise for extension to other catalytic reactions, offering valuable insights into catalyst design endeavors.

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