Cell Reports Physical Science:碲化物在低电压下可有效电催化固氮(转载)
雨辰 雨辰 2020-10-24

研究亮点:


1. Sb2Te3在电化学还原合成氨(NRR)的过程中表现出多重促进的协同作用(N2吸附,表面氢化,N2活化和NH3解吸),在环境条件下以低过电势实现高电化学NRR性能。


2. Sb2Te3在0 V(vs. RHE)下表现出卓越的电化学NRR性能,产氨量为13.8 μg h-1 cm-2,法拉第效率 (缩写为FE)为27.7%,这是有史以来在低电势下报道的最高产率。


3. Sb2Te3中Te位点表现出的这种多重促进的协同作用可以适用于其他碲化物,例如CoTe2,CdTe,Bi3Te4,它们在低过电势下也具有出色的NRR性能。


电催化氮还原


电化学还原合成氨(NRR)作为一个安全、绿色、低能耗且环境友好的方法之一,受到广泛关注。如何在低电压下实现高活性依旧是目前该类催化亟需解决的关键问题。此外,如何设计实现多步电化学过程高效协同促进催化反应也是目前该领域所面临的重要挑战。


▲图1.图形摘要


要点1:Sb2Te3低电压下优异的氮还原活性


作者通过传统的水热法合成了Sb2Te3纳米片。通过对其进行电催化测试发现 Sb2Te3电催化剂在0.1 M KOH显示出了较高的产氨量(13.8 μg h-1 cm-2)和较高的法拉第效率 (缩写为FE)(27.7%)。在50小时的长时间稳定性实验后,依旧保持优异的氮还原活性。


▲图2. Sb2Te3的物理表征。(A)Sb2Te3的XRD图谱。(B)Sb2Te3的SEM图像。(C)Sb2Te3的TEM图像。(D)Sb2Te3的HRTEM图像。(E)Sb2Te3的Sb和Te元素的TEM映射图。


▲图3. Sb2Te3的电催化NRR性能。(A)在不同电位下Sb2Te3/CP (CP为Carbon Paper的缩写)的i-t依赖曲线。(B)在不同电位下电解后电解质的紫外可见光谱。(C)不同电位下Sb2Te3/CP的FE和NH3产率。(D)在环境条件下,在0.1 M KOH中,电位为0 V(vs. RHE)时Sb2Te3/CP和CP的NH3产率。(E)在0 V(vs. RHE)下具有不同循环的FE和NH3产率。(F)0 V时的长期i-t曲线(vs. RHE)。(C)和(D)中的误差线代表三个独立测量实验的平均值。


要点2:碲化物的多重协同促进作用


作者以Sb2Te3为例,实验和理论计算发现,Te位点可以调节催化剂的电子结构,促进N2在Sb位点上的吸附;Te上吸附的氢具有很高的脱附能垒,可以有效抑制竞争反应(HER)发生的同时,快速转移到吸附的N2上,促进N2加氢(N2→*NNH,决速步)和活化。除此之外,Te位点的存在还可以促进NH3的脱附,从而显著降低反应过电位和提高催化活性。

▲图4. DFT计算。(A)吸附在Sb上的N2电荷差。(B)吸附在Sb2Te3上的N2电荷差图。(C) Sb的DOS图。(D) Sb2Te3的DOS图。(E)氢化氮还原过程的自由能路径图。(F)第一步N2加氢过程的自由能路径图。(G) NRR可能机理示意图。


要点3:这种多重促进的协同作用可以适用于其他碲化物


作者还通过传统的水热法合成了CoTe2,CdTe,Bi3Te4。通过对其进行电催化测试发现该电催化剂在低电压下也显示出了较高的产氨量和较高的FE。作者认为这种多重促进的协同作用可以适用于其他碲化物。


▲图5. Bi3Te4, CoTe2, CdTe的电催化NRR性能。(A)电解液在0 V电压下(相对于RHE)的UV-vis光谱。(B)Bi3Te4, CoTe2, CdTe在0 V(相对于RHE)时的NH3产率和FE。(B)中的误差线代表三个独立测量值的平均值。


小结:


这项工作中,碲化物展现出的多重促进协同作用可以为低电压下实现高电催化氮还原活性的发展做出贡献,并为碲化物在其他催化领域的应用提供新的理论指导。


转载自:微信公众号CellPress细胞科学

参考文献:

Electrocatalytic Nitrogen Fixation on Metal Tellurides Boosted by Multiple Promoted-Synergetic Effects of Telluride

DOI:10.1016/j.xcrp.2020.100232

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100232


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