NatureCatalysis:无偏压太阳能光催化合成氨与甘油氧化

华算科技 2024-04-07 11:16:53

作者信息:

第一作者:Ahmad Tayyebi 通讯作者:Thomas F. Jaramillo, Sung-Yeon Jang, Ji-Wook Jang

通讯单位:蔚山科学技术院

成果速览

本研究开发了一种基于钙钛矿的光电阴极,通过与电催化剂集成实现了高选择性的氨(NH3)生产和甘油氧化,无需外加偏压。

该系统展示了21.2 ± 0.7 mA cm−2的光电流密度和1,744.9 ± 20.6 µgNH3 cm−2h−1的太阳到氨的生产力(SAP),以及99.5 ± 0.8%的法拉第效率(FE),无需外加偏压即可实现氨的生产。同时,甘油被选择性氧化为甘油酸,作为主要的增值产品。

图文导读

图1:展示了用于氨生产的光电化学(PEC)电池的设计,其中Ru@TiNS/Ni/钙钛矿光电阴极与Pt@TiNS阳极结合,实现了同时无偏压的氨生产和甘油增值。

图2:展示了Ru@TiNS电催化剂的表征及其氨生产性能,包括XRD图谱、TEM图像、XPS Ti 2p峰、Ru K-edge XANES比较、J–V曲线、控制实验、LSV曲线、NH3 FE、电流密度和NH3浓度等。

图3:展示了钙钛矿光电阴极用于氨生产的光电化学性能。

图4:展示了制备的电催化剂的物理化学和形态学表征。

图5:展示了无偏压氨生产与同时甘油增值的情况。

亮点介绍

1. 研究开发了一种高性能的三元阳离子铅卤化物钙钛矿光电阴极,与集成电催化剂相结合,实现了高选择性的氨生产和甘油氧化。

2. 该系统在无需外加偏压的情况下,展示了21.2 ± 0.7 mA cm−2的光电流密度和1,744.9 ± 20.6 µgNH3 cm−2h−1的太阳到氨的生产力(SAP),以及99.5 ± 0.8%的法拉第效率(FE)。

3. 通过使用Ru和Pt电催化剂负载在导电稳定的钛酸盐纳米片上,代替了易腐蚀的碳基支撑,提高了系统的稳定性和选择性。

4. 研究同时实现了氨的生产和甘油的增值氧化,将生物质废弃物转化为有价值的化学品,提高了系统的整体效率和生产率。

高端表征

在本研究中,作者运用了多种高端表征技术来深入理解材料的结构和性能: 透射电镜 (TEM): 通过TEM和高分辨率TEM (HR-TEM) 技术,研究人员能够观察到TiNS (钛酸盐纳米片) 的晶体结构和Ru纳米颗粒在TiNS表面的均匀分布。TEM图像和SAED (选区电子衍射) 图案证实了TiNS的高结晶性,并且通过AFM (原子力显微镜) 进一步测量了TiNS的厚度和横向尺寸。 X射线吸收精细结构 (XAFS): 利用X射线吸收近边结构 (XANES) 和扩展X射线吸收精细结构 (EXAFS) 技术,研究人员分析了Ru@TiNS, Ru@TiO2-NP, Ru@rGO以及参考Ru化合物的电子结构和局域几何结构。这些分析揭示了Ru纳米颗粒与TiNS之间的强相互作用,以及Ru-Ti键的形成。 原位测试: 通过原位衰减全反射傅里叶变换红外光谱 (ATR-FTIR) 实验,研究人员获得了N–O键在Ru@TiNS上形成的确凿证据,进一步确认了氨的产生源自硝酸根离子。此外,原位红外光谱还用于监测电催化反应过程中的中间产物和最终产物。 密度泛函理论 (DFT) 计算: 研究中使用了DFT计算来模拟TiO2 (110) 表面的电子结构和催化反应路径。通过DFT计算,研究人员能够预测不同反应条件下的催化活性和稳定性,从而为实验设计提供了理论指导。

文献信息

标题:Bias-free solar NH3 production by perovskite-based photocathode coupled to valorization of glycerol

期刊:Nature Catalysis

DOI:10.1038/s41929-024-01133-4

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