Reactive Deposition Versus Strong Electrostatic Adsorption (SEA): A Key to Highly Active Single Atom Co-Catalysts in Photocatalytic H2 Generation

. 2023 Aug ; 35 (32) : e2211814. [epub] 20230629

Status PubMed-not-MEDLINE Jazyk angličtina Země Německo Médium print-electronic

Typ dokumentu časopisecké články

Perzistentní odkaz   https://www.medvik.cz/link/pmid37256585

Grantová podpora
CZ.02.1.01/0.0/0.0/15_003/0000416 European Regional Development Fund
23-08019X Czech Science Foundation projects GA CR-EXPRO
DFG
Ministry of Education, Youth and Sports of the Czech Republic)

In recent years, the use of single atoms (SAs) has become of a rapidly increasing significance in photocatalytic H2 generation; here SA noble metals (mainly Pt SAs) can act as highly effective co-catalysts. The classic strategy to decorate oxide semiconductor surfaces with maximally dispersed SAs relies on "strong electrostatic adsorption" (SEA) of suitable noble metal complexes. In the case of TiO2 - the classic benchmark photocatalyst - SEA calls for adsorption of cationic Pt complexes such as [(NH3 )4 Pt]2+ which then are thermally reacted to surface-bound SAs. While SEA is widely used in literature, in the present work it is shown by a direct comparison that reactive attachment based on the reductive anchoring of SAs, e.g., from hexachloroplatinic(IV) acid (H2 PtCl6 ) leads directly to SAs in a configuration with a significantly higher specific activity than SAs deposited with SEA - and this at a significantly lower Pt loading and without any thermal post-deposition treatments. Overall, the work demonstrates that the reactive deposition strategy is superior to the classic SEA concept as it provides a direct electronically well-connected SA-anchoring and thus leads to highly active single-atom sites in photocatalysis.

Zobrazit více v PubMed

Y. Chen, S. Ji, C. Chen, Q. Peng, D. Wang, Y. Li, Joule 2018, 2, 1242.

H. Zhang, G. Liu, L. Shi, J. Ye, Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701343.

S. Mitchell, J. Pérez-Ramírez, Nat. Commun. 2020, 11, 4302.

D. Liu, Q. He, S. Ding, L. Song, Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2001482.

X. Li, X. Yang, Y. Huang, T. Zhang, B. Liu, Adv. Mater. 2019, 31, 1902031.

Y. Zhou, J. Li, X. Gao, W. Chu, G. Gao, L.-W. Wang, J. Mater. Chem. A 2021, 9, 9979.

Q. Zhang, J. Guan, Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2000768.

C. Zhu, S. Fu, Q. Shi, D. Du, Y. Lin, Angew. Chem. 2017, 56, 13944.

J. Su, R. Ge, Y. Dong, F. Hao, L. Chen, J. Mater. Chem. A 2018, 6, 14025.

W. Zang, Z. Kou, S. J. Pennycook, J. Wang, Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903181.

Q. Zhang, J. Guan, Sol. RRL 2020, 4, 2000283.

Q. Wang, D. Zhang, Y. Chen, W.-F. Fu, X.-J. Lv, ACS Sustainable Chem. Eng. 2019, 7, 6430.

J. Fu, S. Wang, Z. Wang, K. Liu, H. Li, H. Liu, J. Hu, X. Xu, H. Li, M. Liu, Front. Phys. 2020, 15, 33201.

F. Zhang, Y. Zhu, Q. Lin, L. Zhang, X. Zhang, H. Wang, Energy Environ. Sci. 2021, 14, 2954.

X. Chen, S. Shen, L. Guo, S. S. Mao, Chem. Rev. 2010, 110, 6503.

A. J. Bard, J. Photochem. 1979, 10, 59.

S. Bai, W. Yin, L. Wang, Z. Li, Y. Xiong, RSC Adv. 2016, 6, 57446.

K. G. Pickup, B. M. W. Trapnell, J. Chem. Phys. 1956, 25, 182.

S. Katz, G. B. Kistiakowsky, R. F. Steiner, J. Am. Chem. Soc. 1949, 71, 2258.

W. V. Smith, J. Chem. Phys. 1943, 11, 110.

J. Schneider, M. Matsuoka, M. Takeuchi, J. Zhang, Y. Horiuchi, M. Anpo, D. W. Bahnemann, Chem. Rev. 2014, 114, 9919.

C. Dong, C. Lian, S. Hu, Z. Deng, J. Gong, M. Li, H. Liu, M. Xing, J. Zhang, Nat. Commun. 2018, 9, 1252.

I. Vamvasakis, B. Liu, G. S. Armatas, Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 8062.

J. Ma, X. Tan, Q. Zhang, Y. Wang, J. Zhang, L. Wang, ACS Catal. 2021, 11, 3352.

Y. Ben-Shahar, F. Scotognella, I. Kriegel, L. Moretti, G. Cerullo, E. Rabani, U. Banin, Nat. Commun. 2016, 7, 10413.

F. Xue, C. Chen, W. Fu, M. Liu, C. Liu, P. Guo, S. Shen, J. Phys. Chem. C 2018, 122, 25165.

C. Dessal, L. Martínez, C. Maheu, T. Len, F. Morfin, J. L. Rousset, E. Puzenat, P. Afanasiev, M. Aouine, L. Soler, J. Llorca, L. Piccolo, J. Catal. 2019, 375, 155.

D. Riassetto, C. Holtzinger, M. Langlet, J. Mater. Sci. 2009, 44, 2637.

S. Gutić, A. Dobrota, E. Fako, N. Skorodumova, N. López, I. Pašti, Catalysts 2020, 10, 290.

M. Li, K. Duanmu, C. Wan, T. Cheng, L. Zhang, S. Dai, W. Chen, Z. Zhao, P. Li, H. Fei, Y. Zhu, R. Yu, J. Luo, K. Zang, Z. Lin, M. Ding, J. Huang, H. Sun, J. Guo, X. Pan, W. A. Goddard, P. Sautet, Y. Huang, X. Duan, Nat. Catal. 2019, 2, 495.

K. Maiti, S. Maiti, M. T. Curnan, H. J. Kim, J. W. Han, Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101670.

H. Hu, J. Wang, P. Tao, C. Song, W. Shang, T. Deng, J. Wu, J. Mater. Chem. A 2022, 10, 5835.

Y. Chen, Z. Huang, Z. Ma, J. Chen, X. Tang, Catal. Sci. Technol. 2017, 7, 4250.

J. T. Miller, M. Schreier, A. J. Kropf, J. R. Regalbuto, J. Catal. 2004, 225, 203.

J. Sun, J. Zhang, H. Fu, H. Wan, Y. Wan, X. Qu, Z. Xu, D. Yin, S. Zheng, Appl. Catal., B 2018, 229, 32.

X. Chen, X.-B. Wang, S. Han, D. Wang, C. Li, W. Guan, W.-Y. Li, C. Liang, ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 590.

M. Schneider, J. R. Regalbuto, J. Catal. 2004, 225, 190.

J. E. Samad, S. Hoenig, J. R. Regalbuto, ChemCatChem 2015, 7, 3460.

S. J. Tauster, S. C. Fung, R. L. Garten, J. Am. Chem. Soc. 1978, 100, 170.

S. J. Tauster, Acc. Chem. Res. 1987, 20, 389.

W. E. Kaden, T. Wu, W. A. Kunkel, S. L. Anderson, Science 2009, 326, 826.

P. Liu, Y. Zhao, R. Qin, S. Mo, G. Chen, L. Gu, D. M. Chevrier, P. Zhang, Q. Guo, D. Zang, B. Wu, G. Fu, N. Zheng, Science 2016, 352, 797.

T. Wang, Y. Zhu, Z. Luo, Y. Li, J. Niu, C. Wang, Environ. Chem. Lett. 2021, 19, 1815.

T. Wei, Y. Zhu, Y. Wu, X. An, L.-M. Liu, Langmuir 2019, 35, 391.

L. Chen, R. R. Unocic, A. S. Hoffman, J. Hong, A. H. Braga, Z. Bao, S. R. Bare, J. Szanyi, JACS Au 2021, 1, 977.

L. DeRita, S. Dai, K. Lopez-Zepeda, N. Pham, G. W. Graham, X. Pan, P. Christopher, J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 14150.

L. DeRita, J. Resasco, S. Dai, A. Boubnov, H. V. Thang, A. S. Hoffman, I. Ro, G. W. Graham, S. R. Bare, G. Pacchioni, X. Pan, P. Christopher, Nat. Mater. 2019, 18, 746.

J. P. Brunelle, Pure Appl. Chem. 1978, 50, 1211.

C. Conţescu, M. I. Vass, Appl. Catal. 1987, 33, 259.

T. Wang, X. Tao, X. Li, K. Zhang, S. Liu, B. Li, Small 2021, 17, 2006255.

S. Hoang, Y. Guo, A. J. Binder, W. Tang, S. Wang, J. J. Liu, H. Tran, X. Lu, Y. Wang, Y. Ding, E. A. Kyriakidou, J. Yang, T. J. Toops, T. R. Pauly, R. Ramprasad, P.-X. Gao, Nat. Commun. 2020, 11, 1062.

E. A. Kyriakidou, O. S. Alexeev, A. P. Wong, C. Papadimitriou, M. D. Amiridis, J. R. Regalbuto, J. Catal. 2016, 344, 749.

L. Jiao, J. R. Regalbuto, J. Catal. 2008, 260, 329.

L. Jiao, J. R. Regalbuto, J. Catal. 2008, 260, 342.

S. Chytil, W. R. Glomm, I. Kvande, T. Zhao, J. C. Walmsley, E. A. Blekkan, Top. Catal. 2007, 45, 93.

Y.-P. Qiu, Q. Shi, W.-Z. Wang, S.-H. Xia, H. Dai, H. Yin, Z.-Q. Yang, P. Wang, Small 2022, 18, 2106143.

B. Pongthawornsakun, N. Wimonsupakit, J. Panpranot, J. Chem. Sci. 2017, 129, 1721.

S. Lambert, N. Job, L. D'Souza, M. F. Ribeiro Pereira, R. Pirard, B. Heinrichs, J. L. Figueiredo, J.-P. Pirard, J. R. Regalbuto, J. Catal. 2009, 261, 23.

J. Xing, J. F. Chen, Y. H. Li, W. T. Yuan, Y. Zhou, L. R. Zheng, H. F. Wang, P. Hu, Y. Wang, H. J. Zhao, Y. Wang, H. G. Yang, Chemistry 2014, 20, 2138.

X. Zhou, I. Hwang, O. Tomanec, D. Fehn, A. Mazare, R. Zboril, K. Meyer, P. Schmuki, Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2102843.

Z. Wu, I. Hwang, G. Cha, S. Qin, O. Tomanec, Z. Badura, S. Kment, R. Zboril, P. Schmuki, Small 2022, 18, 2104892.

Y. Wang, I. Hwang, Z. Wu, P. Schmuki, Electrochem. Commun. 2021, 133, 107166.

S. Hejazi, S. Mohajernia, B. Osuagwu, G. Zoppellaro, P. Andryskova, O. Tomanec, S. Kment, R. Zbořil, P. Schmuki, Adv. Mater. 2020, 32, 1908505.

G. Cha, I. Hwang, S. Hejazi, A. S. Dobrota, I. A. Pašti, B. Osuagwu, H. Kim, J. Will, T. Yokosawa, Z. Badura, Š. Kment, S. Mohajernia, A. Mazare, N. V. Skorodumova, E. Spiecker, P. Schmuki, iScience 2021, 24, 102938.

G. Cha, A. Mazare, I. Hwang, N. Denisov, J. Will, T. Yokosawa, Z. Badura, G. Zoppellaro, A. B. Tesler, E. Spiecker, P. Schmuki, Electrochim. Acta 2022, 412, 140129.

I. Hwang, A. Mazare, J. Will, T. Yokosawa, E. Spiecker, P. Schmuki, Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2207849.

S. Qin, N. Denisov, B. B. Sarma, I. Hwang, D. E. Doronkin, O. Tomanec, S. Kment, P. Schmuki, Adv. Mater. Interfaces 2022, 9, 2200808.

S. Qin, N. Denisov, J. Will, J. Kolařík, E. Spiecker, P. Schmuki, Sol. RRL 2022, 6, 2101026.

S.-M. Wu, I. Hwang, B. Osuagwu, J. Will, Z. Wu, B. B. Sarma, F.-F. Pu, L.-Y. Wang, Z. Badura, G. Zoppellaro, E. Spiecker, P. Schmuki, ACS Catal. 2023, 13, 33.

X. Hu, J. Song, J. Luo, H. Zhang, Z. Sun, C. Li, S. Zheng, Q. Liu, J. Energy Chem. 2021, 62, 1.

S. Weon, M.-J. Suh, C. Chu, D. Huang, E. Stavitski, J.-H. Kim, ACS EST Eng 2021, 1, 512.

H. Kim, Y. Wang, N. Denisov, Z. Wu, Š. Kment, P. Schmuki, J. Mater. Sci. 2022, 57, 12960.

J. F. Lambert, E. Marceau, B. Shelimov, J. Lehman, V. L.e Bel de Penguilly, X. Carrier, S. Boujday, H. Pernot, M. Che, Stud. Surf. Sci. Catal. 2000, 130, 1043.

M. Kosmulski, Adv. Colloid Interface Sci. 2002, 99, 255.

S. Kuhaudomlap, O. Mekasuwandumrong, P. Praserthdam, S.-I. Fujita, M. Arai, J. Panpranot, Catalysts 2018, 8, 87.

J. Xi, X. Zhang, X. Zhou, X. Wu, S. Wang, W. Yu, N. Yan, K. P. Loh, Q.-H. Xu, J. Colloid Interface Sci. 2022, 623, 799.

A. Naldoni, M. Altomare, G. Zoppellaro, N. Liu, Š. Kment, R. Zbořil, P. Schmuki, ACS Catal. 2019, 9, 345.

S. Livraghi, M. Chiesa, M. C. Paganini, E. Giamello, J. Phys. Chem. C 2011, 115, 25413.

F. Pellegrino, E. Morra, L. Mino, G. Martra, M. Chiesa, V. Maurino, J. Phys. Chem. C 2020, 124, 3141.

Y. Akdogan, C. Vogt, M. Bauer, H. Bertagnolli, L. Giurgiu, E. Roduner, Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 2952.

J. R. Katzer, G. C. A. Schuit, J. H. C. Van Hooff, J. Catal. 1979, 59, 278.

A. Munoz-Paez, D. C. Koningsberger, J. Phys. Chem. 1995, 99, 4193.

G. Jeantelot, M. Qureshi, M. Harb, S. Ould-Chikh, D. H. Anjum, E. Abou-Hamad, A. Aguilar-Tapia, J.-L. Hazemann, K. Takanabe, J.-M. Basset, Phys. Chem. Chem. Phys. 2019, 21, 24429.

S. Qin, J. Will, H. Kim, N. Denisov, S. Carl, E. Spiecker, P. Schmuki, ACS Energy Lett. 2023, 8, 1209.

W. A. Spieker, J. Liu, J. T. Miller, A. J. Kropf, J. R. Regalbuto, Appl. Catal., A 2002, 232, 219.

E. H. Archibald, J. Chem. Soc., Trans. 1920, 117, 1104.

C. M. Davidson, R. F. Jameson, Trans. Faraday Soc. 1965, 61, 2462.

R. Dreyer, J. Dreyer, Z. Chem. 1963, 3, 151.

R. Dreyer, I. Dreyer, D. Rettig, Z. Phys. Chem. 1963, 224O, 199.

X. Zhang, Z. Li, W. Pei, G. Li, W. Liu, P. Du, Z. Wang, Z. Qin, H. Qi, X. Liu, S. Zhou, J. Zhao, B. Yang, W. Shen, ACS Catal. 2022, 12, 3634.

T. Lee, J. Catal. 1984, 90, 279.

J. Cai, A. Cao, Z. Wang, S. Lu, Z. Jiang, X.-Y. Dong, X. Li, S.-Q. Zang, J. Mater. Chem. A 2021, 9, 13890.

R. T. K. Baker, E. B. Prestridge, R. L. Garten, J. Catal. 1979, 59, 293.

S. Wei, A. Li, J.-C. Liu, Z. Li, W. Chen, Y. Gong, Q. Zhang, W.-C. Cheong, Y. Wang, L. Zheng, H. Xiao, C. Chen, D. Wang, Q. Peng, L. Gu, X. Han, J. Li, Y. Li, Nat. Nanotechnol. 2018, 13, 856.

N. Denisov, S. Qin, J. Will, B. N. Vasiljevic, N. V. Skorodumova, I. A. Pašti, B. B. Sarma, B. Osuagwu, T. Yokosawa, J. Voss, J. Wirth, E. Spiecker, P. Schmuki, Adv. Mater. 2023, 35, 2206569.

M. S. Heise, J. A. Schwarz, J. Colloid Interface Sci. 1985, 107, 237.

M. S. Heise, J. A. Schwarz, J. Colloid Interface Sci. 1986, 113, 55.

M. S. Heise, J. A. Schwarz, J. Colloid Interface Sci. 1988, 123, 51.

J. A. Schwarz, M. S. Heise, J. Colloid Interface Sci. 1990, 135, 461.

X. Cheng, Y. Li, L. Zheng, Y. Yan, Y. Zhang, G. Chen, S. Sun, J. Zhang, Energy Environ. Sci. 2017, 10, 2450.

Y. Chen, S. Ji, W. Sun, Y. Lei, Q. Wang, A. Li, W. Chen, G. Zhou, Z. Zhang, Y. Wang, L. Zheng, Q. Zhang, L. Gu, X. Han, D. Wang, Y. Li, Angew. Chem. 2020, 132, 1311.

Najít záznam

Citační ukazatele

Nahrávání dat ...

Možnosti archivace

Nahrávání dat ...