Microkinetic analyses of aqueous electrochemistry involving gaseous H2 or O2, i.e., hydrogen evolution reaction (HER), hydrogen oxidation reaction (HOR), oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER), are revisited. The Tafel slopes used to evaluate the rate determining steps generally assume extreme coverage of the adsorbed species (θ ≈ 0 or ≈1), although, in practice, the slopes are coverage-dependent. We conducted detailed kinetic analyses describing the coverage-dependent Tafel slopes for the aforementioned reactions. Our careful analyses provide a general benchmark for experimentally observed Tafel slopes that can be assigned to specific rate determining steps. The Tafel analysis is a powerful tool for discussing the rate determining steps involved in electrocatalysis, but our study also demonstrated that overly simplified assumptions led to an inaccurate description of the surface electrocatalysis. Additionally, in many studies, Tafel analyses have been performed in conjunction with the Butler-Volmer equation, where its applicability regarding only electron transfer kinetics is often overlooked. Based on the derived kinetic description of the HER/HOR as an example, the limitation of Butler-Volmer expression in electrocatalysis is also discussed in this report.

We investigated semiconductor characteristics for polymeric carbon nitride as a metal-free photocatalyst working with visible light and have shown that the efficiency of hydrogen production by photochemical water reduction can be improved by ∼1 order of magnitude by introducing the right type of mesoporosity into polymeric C3N4. We anticipate a wide rang of potential application of C3N4 as energy transducers for artificial photosynthesis in general, especially with a 3D continuous nanoarchitecture. Moreover, the results of finding photoactivity for carbon nitride nanoparticles can enrich the discussion on prebiotic chemistry of the Earth, as HCN polymer clusters are unequivocal in the solar system.

Just like a melon: Carbon nitride photocatalysts (see formula) structurally akin to poly(aminoimino)heptazine (Liebig′s melon) can be prepared by direct copolymerization of dicyandiamide with barbituric acid (BA). The picture shows how increasing the amount of BA in the copolymerization mixture (arrows) extends the optical absorption of the products further into the visible region, as is favorable for solar-energy applications. Detailed facts of importance to specialist readers are published as ”Supporting Information”. Such documents are peer-reviewed, but not copy-edited or typeset. They are made available as submitted by the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

A widely used term, "photocatalysis", generally addresses photocatalytic (energetically downhill) and photosynthetic (energetically uphill) reactions and refers to the use of photonic energy as a driving force for chemical transformations, i.e., electron reorganization to form/break chemical bonds. Although there are many such important reactions, this contribution focuses on the fundamental aspects of photocatalytic water splitting into hydrogen and oxygen by using light from the solar spectrum, which is one of the most investigated photosynthetic reactions. Photocatalytic water splitting using solar energy is considered to be artificial photosynthesis that produces a solar fuel because the reaction mimics nature's photosynthesis not only in its redox reaction type but also in its thermodynamics (water splitting: 1.23 eV vs glucose formation: 1.24 eV). To achieve efficient photocatalytic water splitting, all of the parameters, though involved at different time scales and spatial resolutions, should be optimized because the overall efficiency is obtained as the multiplication of all these fundamental efficiencies. The purpose of this Review is to provide the guidelines of a concept, "photocatalysis by design", which is the opposite of "black box screening"; this concept refers to making quantitative descriptions of the associated physical and chemical properties to determine which events/parameters have the most impact on improving the overall photocatalytic performance, in contrast to arbitrarily ranking different photocatalyst materials. First, the properties that can be quantitatively measured or calculated are identified. Second, the quantities of these identified properties are determined by performing adequate measurements and/or calculations. Third, the obtained values of these properties are integrated into equations so that the kinetic/energetic bottlenecks of specific properties/processes can be determined, and the properties can then be altered to further improve the process. Accumulation of knowledge ranging in fields from solid-state physics to electrochemistry and the use of a multidisciplinary approach to conduct measurements and modeling in a quantitative manner are required to fully understand and improve the efficiency of photocatalysis.

Kinetic, isotopic, and infrared studies on well-defined dispersed Pt clusters are combined here with first-principle theoretical methods on model cluster surfaces to probe the mechanism and structural requirements for CO oxidation catalysis at conditions typical of its industrial practice. CO oxidation turnover rates and the dynamics and thermodynamics of adsorption−desorption processes on cluster surfaces saturated with chemisorbed CO were measured on 1−20 nm Pt clusters under conditions of strict kinetic control. Turnover rates are proportional to O2 pressure and inversely proportional to CO pressure, consistent with kinetically relevant irreversible O2 activation steps on vacant sites present within saturated CO monolayers. These conclusions are consistent with the lack of isotopic scrambling in C16O−18O2−16O2 reactions, and with infrared bands for chemisorbed CO that did not change within a CO pressure range that strongly influenced CO oxidation turnover rates. Density functional theory estimates of rate and equilibrium constants show that the kinetically relevant O2 activation steps involve direct O2* (or O2) reactions with CO* to form reactive O*−O−C*═O intermediates that decompose to form CO2 and chemisorbed O*, instead of unassisted activation steps involving molecular adsorption and subsequent dissociation of O2. These CO-assisted O2 dissociation pathways avoid the higher barriers imposed by the spin-forbidden transitions required for unassisted O2 dissociation on surfaces saturated with chemisorbed CO. Measured rate parameters for CO oxidation were independent of Pt cluster size; these parameters depend on the ratio of rate constants for O2 reactions with CO* and CO adsorption equilibrium constants, which reflect the respective activation barriers and reaction enthalpies for these two steps. Infrared spectra during isotopic displacement and thermal desorption with 12CO−13CO mixtures showed that the binding, dynamics, and thermodynamics of CO chemisorbed at saturation coverages do not depend on Pt cluster size in a range that strongly affects the coordination of Pt atoms exposed at cluster surfaces. These data and their theoretical and mechanistic interpretations indicate that the remarkable structure insensitivity observed for CO oxidation reactions reflects average CO binding properties that are essentially independent of cluster size. Theoretical estimates of rate and equilibrium constants for surface reactions and CO adsorption show that both parameters increase as the coordination of exposed Pt atoms decreases in Pt201 cluster surfaces; such compensation dampens but does not eliminate coordination and cluster size effects on measured rate constants. The structural features and intrinsic non-uniformity of cluster surfaces weaken when CO forms saturated monolayers on such surfaces, apparently because surfaces and adsorbates restructure to balance CO surface binding and CO−CO interaction energies.

Abstract The challenge in the electrochemical reduction of aqueous carbon dioxide is in designing a highly selective, energy‐efficient, and non‐precious‐metal electrocatalyst that minimizes the competitive reduction of proton to form hydrogen during aqueous CO 2 conversion. A non‐noble metal electrocatalyst based on a copper‐indium (Cu‐In) alloy that selectively converts CO 2 to CO with a low overpotential is reported. The electrochemical deposition of In on rough Cu surfaces led to Cu‐In alloy surfaces. DFT calculations showed that the In preferentially located on the edge sites rather than on the corner or flat sites and that the d‐electron nature of Cu remained almost intact, but adsorption properties of neighboring Cu was perturbed by the presence of In. This preparation of non‐noble metal alloy electrodes for the reduction of CO 2 provides guidelines for further improving electrocatalysis.

Titania-supported cobalt and nickel bimetallic catalysts were investigated for CO2 reforming of methane to synthesis gas at 1023 K under ambient pressure. Bimetallic Co–Ni/TiO2 catalysts with an appropriate Co/Ni ratio showed highly stable activities without carbon deposition. Whereas the monometallic Co/TiO2 catalyst deactivated rapidly because of the oxidation of metal, 10 mol% substitution of nickel for cobalt suppressed the oxidation of metal, providing a high catalytic stability. However, the catalysts with excess nickel content (>80 mol%) underwent carbon formation. X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analyses revealed that a homogeneous alloy of cobalt and nickel was formed from bulk to the surface by the H2 reduction, and the alloy was stable during reforming. The advantages of the bimetallic catalysts are high resistance to undesirable metal oxidation and coking, through the control of reactions between CH4 and CO2.

We report a selective and stable electrocatalyst utilizing non-noble metals consisting of Cu and Sn for the efficient and selective reduction of CO2 to CO over a wide potential range. The bimetallic electrode was prepared through the electrodeposition of Sn species on the surface of oxide-derived copper (OD-Cu). The Cu surface, when decorated with an optimal amount of Sn, resulted in a Faradaic efficiency (FE) for CO greater than 90% and a current density of −1.0 mA cm–2 at −0.6 V vs RHE, compared to the CO FE of 63% and −2.1 mA cm–2 for OD-Cu. Excess Sn on the surface caused H2 evolution with a decreased current density. X-ray diffraction (XRD) suggests the formation of Cu–Sn alloy. Auger electron spectroscopy of the sample surface exhibits zerovalent Cu and Sn after the electrodeposition step. Density functional theory (DFT) calculations show that replacing a single Cu atom with a Sn atom leaves the d-band orbitals mostly unperturbed, signifying no dramatic shifts in the bulk electronic structure. However, the Sn atom discomposes the multifold sites on pure Cu, disfavoring the adsorption of H and leaving the adsorption of CO relatively unperturbed. Our catalytic results along with DFT calculations indicate that the presence of Sn on reduced OD-Cu diminishes the hydrogenation capability—i.e., the selectivity toward H2 and HCOOH—while hardly affects the CO productivity. While the pristine monometallic surfaces (both Cu and Sn) fail to selectively reduce CO2, the Cu–Sn bimetallic electrocatalyst generates a surface that inhibits adsorbed H*, resulting in improved CO FE. This study presents a strategy to provide low-cost non-noble metals that can be utilized as a highly selective electrocatalyst for the efficient aqueous reduction of CO2.

Ordered mesoporous carbon nitride shows improved photoactivity and is promising as a host semiconductor scaffold for the design of hybrid visible-light-sensitive catalysts, as it enables the co-assembly of chromophoric antenna molecules, water-reduction catalysts (here exemplified by Pt), and/or water-oxidation complexes into the host matrix, thus generating a new type of biomimetic photocatalyst system for water splitting chemistry but also for selective organic synthesis.