Towards Artificial Photosynthesis: Exploration of Efficient First-Row Transition Metal-Based Water Oxidation Catalysts

Artificial photosynthesis provides a promising strategy for sustainable energy harvesting, yet its overall efficiency is limited by the water oxidation reaction. The subject of this thesis focuses on the exploration of highly efficient cost-effective heterogeneous catalysts for water oxidation, and the investigation of essential catalyst structure-activity relationships. Chapters 1 and 2 present a brief introduction on heterogeneous catalysts for water oxidation, including selected state-of-the-art catalysts, methodologies for activity improvement, and mechanistic investigations. The characterization methods used in this thesis are also demonstrated. In chapter 3, a molecular functionalization approach is developed to rationally modify the electronic structure of NiO catalyst, by which the water oxidation activity is systematically tailored. These studies correspond to the question: “How to rationally adjust the catalytic performance of heterogeneous catalysts?” In chapter 4, to lower the catalyst cost, a Fe-based Fe0.65Cr0.35Ox nanocatalyst is fabricated by structural and electronic modulation, which shows considerable water oxidation activity. These studies target the question: “How to fabricate an efficient Fe-based water oxidation catalyst?” In chapter 5, a bio-inspired Mn-based catalyst is presented. The catalyst successfully imitates the key features of the natural oxygen evolving complex, achieving dramatically improved water oxidation activity. These studies correspond to the question: “How to improve the catalytic activity of Mn-based water oxidation catalysts?” Finally, in chapter 6, a 3D NiFeCr/Cu nanoarray electrode is constructed by structural engineering, which exhibits extremely high water oxidation activity. These studies correspond to the question: “How to fabricate an efficient catalytic electrode for water oxidation?”Artificiell fotosyntes erbjuder en lovande strategi för den hållbara energiomvandlingen, men dess totala effektivitet begränsas av vattenoxidationsreaktionen. Den här avhandlingen behandlar utvecklingen av aktiva och kostnadseffektiva heterogena katalysatorer för vattenoxidation och utforskning av de väsentliga struktur-aktivitetsförhållandena. Kapitlen 1 och 2 omfattar en kort introduktion till de heterogena katalysatorerna för vattenoxidation, inklusive de utvalda toppmoderna katalysatorerna, metoder för aktivitetsförbättring och mekanistiska undersökningar. Karakteriseringsmetoderna som används i denna avhandling demonstreras också. I kapitel 3, en molekylär funktionaliseringsmetod utvecklas för att rationellt modulera den elektroniska strukturen av NiO-katalysator, genom vilken vattenoxidationsaktiviteten systematiskt anpassas. Dessa studier motsvarar frågan: “Hur kan man rationellt anpassa den katalytiska prestanda hos heterogena katalysatorer?” I kapitel 4, för att sänka katalysatorkostnaden, en Fe-baserad Fe0.65Cr0.35Ox nanokatalysator tillverkas genom strukturell och elektronisk modulering och utför betydande vattenoxidationsaktivitet. Dessa studier riktar sig till frågan: “Hur man tillverkar en effektiv Fe-rik vattenoxidationskatalysator?” I kapitel 5, en bioinspirerad Mn-baserad katalysator presenteras. Den utvecklade katalysatorn imiterar framgångsrikt nyckelfunktionerna av det naturliga syreutvecklande komplexet och uppnår dramatiskt förbättrad vattenoxidationsaktivitet. Dessa studier motsvarar frågan: “Hur kan man förbättra den katalytiska aktiviteten hos Mn-baserad vattenoxidationskatalysator?” Till sist, i kapitel 6 beskrivs konstruktionen utav en 3D NiFeCr/Cu NA (nanoarray) elektrod som uppvisar extremt hög vattenoxidation aktivitet. Dessa studier motsvarar frågan: “Hur kan man tillverka en effektiv katalytisk elektrod för vattenoxidation?”QC 2020-09-07