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Two-dimensional metal–organic frameworks offer all-in-one cocatalysts for photocatalytic overall water splitting

分解水 光催化 析氧 化学 制氢 纳米技术 光催化分解水 氢 阻塞(统计) 氧化还原 催化作用 激发 电化学 半导体 反应条件 可持续生产 化学工程 量子效率
作者
Jingyan Guan,Hajime Suzuki,Kazuhide Kamiya,Takashi Harada,Rintaro Adachi,Osamu Tomita,Hirofumi Kurokawa,Daisuke Unabara,Koji Yonekura,Naoya Fukui,Hiroaki Maeda,Kunihisa Sugimoto,Yuichi Yamaguchi,Akinori Saeki,Akira Yamakata,Akihiko Kudo,Ryu Abe,Ryota Sakamoto
出处
期刊:Nature Chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:18 (6): 1053-1061 被引量:15
标识
DOI:10.1038/s41557-026-02133-6
摘要

Photocatalytic overall water splitting holds great promise for sustainable hydrogen production. For overall water splitting performed by one-step excitation, both the hydrogen evolution and oxygen evolution reactions are hindered kinetically; hence, it is necessary to employ site-selective modification of photocatalysts with hydrogen-evolving and oxygen-evolving cocatalysts. However, critical challenges remain, including the need for cumbersome, multi-step photodeposition processes and durable blocking layers to inhibit the reverse reactions. Here we find a conductive, two-dimensional metal–organic framework to serve as a simple, multifunctional cocatalyst. We loaded this framework on SrTiO3:Al, an overall water-splitting photocatalyst, using a one-step self-assembly method. The framework cocatalyst promoted steady photocatalysis with an apparent quantum efficiency of 31.5% at 350 nm, free from the reverse reaction even without blocking layers. We proposed the operational principles for the cocatalyst activity using spectroscopic, electrochemical and theoretical analyses. This two-dimensional metal–organic framework offers an all-in-one approach for designing efficient and practical one-step excitation overall water-splitting systems. Overall water splitting using one-step excitation holds great promise as a green hydrogen production technology, but precisely loading multiple inorganic cocatalyst species on photocatalysts offers only mixed success. Now it has been shown that a single, conductive, two-dimensional metal–organic framework can serve as an all-in-one cocatalyst.
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