Advanced Sustainable Systems:掺杂和界面工程构筑双功能催化剂助力光催化和电催化合成氨

基于能源、气候和环境危机,光催化和电催化合成技术由于充分利用了可再生能源,实现了低碳甚至无碳的化学品合成,是化学品领域实现“碳中和”的热点研究方向。近年来,以光和电为驱动力,在水相中实现氮气还原合成氨(2N2 + 6H2O = 4NH3 + 3O2)来替代传统Haber-Bosch循环(N2+3H2 = 2NH3)是一种清洁的、可持续的无碳策略。尽管光催化和电催化法的效率较低,工业应用前景不明朗。但若在垦区建立分布式合成氨装置为垦地提供低浓度氨,将有望降低铵肥的过度使用所引起的富营养化。基于太阳光的周期性,将光催化与电催化相结合的方式能有效地提升太阳能的利用效率。在“太阳能产氨”中,需发利于氮气传质吸附和具有大量活性位点、和能促进多电子还原的催化剂。对于光催化过程还应考虑增强催化剂的还原性和提升光生载流子分离效率。

基于上述问题和研究现状,西北大学刘季铨薛岗林研究团队与蒋海英团队通过缺陷工程和界面工程构筑了一种同时具有光催化和电催化活性的三元异质结催化剂Ag/PW12/Zr-mTiO2(Ag:银纳米颗粒;PW12:磷钨酸;Zr-mTiO2:锆掺杂介孔二氧化钛)。研究结果表明,在Zr-mTiO2中,锆掺杂促使表面氧缺陷位显著增多,进而提升氮气的化学吸附量。其介孔结构有利于氮气的扩散和传质。Ag NPs的表面等离子效应拓宽了催化剂的可见光响应。由于存在Ag NPs与Zr-mTiO2的界面和PW12与Zr-mTiO2的Z-型异质结界面,光生载流子的分离效率大幅度提升。瞬态光电流强度与氨生成速率呈线性关联。异质结界面效应和掺杂引起的表面缺陷使得Ag/PW12/Zr-mTiO2展现出优异的光催化性能。在模拟太阳光(300 W 氙灯)辐照下,其氨生成速率为324.2 μmol·gcat-1·h-1。此外,在电催化过程中,多元组分的引入为催化剂提供大量的活性位点。由于异质结界面的存在,催化剂表面的电荷转移效率的大幅度提升。这使得Ag/PW12/Zr-mTiO2呈现较优异的电催化性能。在0.05 mol·L-1 H2SO4支持电解质中,该催化剂在-0.60 V vs RHE下的氨生成速率为55.0 μg·mgcat-1·h-1,在-0.40 V vs RHE 下法拉第电流效率为17%。该工作为合成高效光催化剂和电催化剂提供了设计思路,并为结合光催化与电催化共同提升太阳能利用效率提供新的模式。

信息:

Fabricating Ag/PW12/Zr-mTiO2 Composite via Doping and Interface Engineering: An Efficient Catalyst with Bifunctionality in Photo- and Electro-Driven Nitrogen Reduction Reactions

Caiting Feng, Jiquan Liu*, Qinlong Li, Lei Ji, Panfeng Wu, Xiaoxiao Yuan, Huaiming Hu, Hai-Ying Jiang*, Ganglin Xue*

Advanced Sustainable Systems

DOI: 10.1002/adsu.202100307

链接:https://doi.org/10.1002/adsu.202100307