四单位联合AEM:TiO2-B光催化剂的设计和评估

摘要:东莞理工学院孙成华教授、东北大学李松教授、中科院大连化学物理研究所刘健研究员和东北林业大学徐加廷教授(共同通讯作者)等人报道了一种硼掺杂TiO2(TiO2-B)的NRR光催化剂

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室温氮还原反应(NRR)对化肥工业和基础催化科学都具有重要意义。为从水、空气和阳光中生产氨,光催化NRR旨在显著释放与Habor-Bosch工艺相关的能量和环境压力。基于此,东莞理工学院孙成华教授、东北大学李松教授、中科院大连化学物理研究所刘健研究员和东北林业大学徐加廷教授(共同通讯作者)等人报道了一种硼掺杂TiO2(TiO2-B)的NRR光催化剂。通过硼掺杂改性的TiO2(101)具有强可见光吸收(带隙1.92 eV)和优异反应性的NRR催化剂,具有小的热力学势垒(0.44 eV)以及高周转频率(1.08×10-5 s-1 site-1)。在模拟阳光照射下,TiO2-B纳米片的氨产量达到了3.35 mg h-1 g-1

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通过DFT计算表明,A101OV/B在正ΔG(H)(0.80 eV)(0.80 eV)的支持下表现出优异的NRR选择性。除A101OV/B从邻近的Ti原子获得约0.22个电子外,所有潜在的催化位点均带正Bader电荷,A101OV/B具有最佳的NRR性能和选择性。A101OV和A101I的δ值较小,具有中等的NRR活性。通常,从活性位点向吸附N2注入电子是N≡N活化所必需,因此富电子催化位点具有这种能力。

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此外,作者还计算了N-N,B-N和Ti-N的pCOHP。对于Ti,所有价态均以成键为主,而具有B-N成键的价态绝大多数为反键态。根据Bader电荷,N2接受电子,B接受电子1.44 |e|,Ti接受电子0.15 |e|。总之,Ti-B共存可以介导局部电子分布的排列,构建N2活化和还原的共同工作机制,并抑制HER。最后,利用HSE06混合泛函计算隐式水溶液的带边对准,更接近实验条件。

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Knowledge-Driven Design and Lab-Based Evaluation of B-doped TiO2 Photocatalysts for Ammonia Synthesis. Adv. Energy Mater., 2023, DOI: 10.1002/aenm.202204126.

https://doi.org/10.1002/aenm.202204126.


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