催化学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (10): 1755-1762.DOI: 10.1016/S1872-2067(21)63795-6

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La掺杂的TiO2纳米棒在常温常压下可促进电催化的N2转化为NH3

李莉a, 陈海军a,b, 李磊b, 李白海b, 吴千宝a, 崔春华a, 邓彪a, 罗永岚a, 刘倩a(), 李廷帅a, 张芳c, Abdullah M. Asirid, 冯哲圣b, 王焱b(), 孙旭平a()   

  1. a电子科技大学基础与前沿研究院, 四川成都610054, 中国
    b电子科技大学材料与能源学院, 四川成都611731, 中国
    c国家纳米技术工程研究中心, 上海200241, 中国
    d阿卜杜勒阿齐兹国王大学理学院化学系和先进材料研究卓越中心, 吉达, 沙特阿拉伯
  • 收稿日期:2021-01-22 接受日期:2021-03-01 出版日期:2021-10-18 发布日期:2021-06-20
  • 通讯作者: 刘倩,王焱,孙旭平
  • 作者简介:$ 电子信箱:xpsun@uestc.edu.cn
    #电子信箱:wy@uestc.edu.cn;
    *电子信箱:liuqian@uestc.edu.cn;
    第一联系人:

    共同第一作者.

  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22072015);上海市科技创新项目(18JC1410604)

La-doped TiO2 nanorods toward boosted electrocatalytic N2-to-NH3 conversion at ambient conditions

Li Lia, Haijun Chena,b, Lei Lib, Baihai Lib, Qianbao Wua, Chunhua Cuia, Biao Denga, Yonglan Luoa, Qian Liua(), Tingshuai Lia, Fang Zhangc, Abdullah M. Asirid, Zhe-Sheng Fengb, Yan Wangb(), Xuping Suna()   

  1. aInstitute of Fundamental and Frontier Sciences, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, Sichuan, China
    bSchool of Materials and Energy, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, Sichuan, China
    cNational Engineering Research Center for Nanotechnology, Shanghai 200241, China
    dChemistry Department, Faculty of Science & Center of Excellence for Advanced Materials Research, King Abdulaziz University, P.O. Box 80203, Jeddah 21589, Saudi Arabia
  • Received:2021-01-22 Accepted:2021-03-01 Online:2021-10-18 Published:2021-06-20
  • Contact: Qian Liu,Yan Wang,Xuping Sun
  • About author:First author contact:

    Contributed equally to this work.

  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22072015);Shanghai Scientific and Technological Innovation Project(18JC1410604)

摘要:

氨在化肥、染料、药品和炸药的制造中起着重要作用. 目前, 传统的Haber-Bosch工艺主要用于NH3的大规模工业化生产, 在苛刻的反应条件(300~500 ºC, 150~300 atm)下不可避免地伴随着温室气体的过量排放. 因此, 必须寻求一种绿色并且可持续的方法来生产NH3. 电化学还原N2 (NRR)已成为在环境条件下将N2连续固定NH3的一种有吸引力的替代方法. 由于稳定的N≡N具有较强的偶极矩并与析氢反应存在激烈竞争, 因此需要高效的NRR催化剂. TiO2是典型的n型半导体, 被认为是一种很有前途的NRR电催化剂. 最近的研究表明, La2O3对N2还原电催化也具有活性, 然而镧金属的稀土性质限制了其大规模应用. 本文研究发现镧可以作为一种有效的掺杂剂提高TiO2的NRR活性.
通过水热法制备了镧掺杂的TiO2纳米棒(La-TiO2). 透射电子显微镜结果表明, 原始TiO2与La-TiO2在形貌上都是纳米棒, 镧的引入对其形貌并没有显著影响. 选区电子衍射证实了La-TiO2纳米棒的高结晶度和四边形单晶结构. 电子自旋共振分析结果表明La-TiO2纳米棒中存在氧空位. La-TiO2的线性扫描伏安曲线结果表明, 在N2饱和电解液中的电流密度明显大于在Ar饱和电解液中, 说明NRR的发生. 为了进一步证实这一假设, 在五个不同电位下分别进行了一系列的计时电流测试, 结果表明, 连续电解2 h后在-0.70 V时, NH3产率最高, 达23.06 μg h-1 mgcat-1, 并且法拉第效率也最大, 达14.54%. 此外, 电解2 h后, 没有检测到副产物N2H4, 表明La-TiO2催化剂对NH3合成具有良好的选择性. 本文还比较了La-TiO2/CP, TiO2/CP和CP的NRR电催化性能, 结果表明, La-TiO2/CP的NH3产率最高, 说明La的引入提高了La-TiO2的NRR活性. La-TiO2/CP通过在-0.70 V下连续6次循环测试以及连续48 h电解测试证实La-TiO2对NRR电催化具有良好的电化学稳定性.
通过对La-Ov构型进行密度泛函理论计算, 重点研究*N2 + H+ + e- → *NNH的反应步骤, 由于*N2加氢的自由能垒较低, La-TiO2更容易激活N2分子, 计算了La-TiO2和纯TiO2上*NNH中间体的电荷密度差异, *NNH与La-TiO2之间存在更多的电荷转移. 采用N-N键的积分晶体轨道哈密顿布居(ICOHP)分析出La-TiO2的ICOHP负值较小(-16.67 vs. -19.93), 说明N-N键的活化更多.

关键词: 镧掺杂, 电催化氮还原, 氧空位, TiO2, 密度泛函理论

Abstract:

Electrochemical N2 reduction provides a green and sustainable alternative to the Haber-Bosch technology for NH3 synthesis. However, the extreme inertness of N2 molecules is a formidable challenge, which requires the development of an active electrocatalyst to drive the N2 reduction reaction (NRR) for NH3 production at ambient conditions. Herein, we demonstrate the development of La-doped TiO2 nanorods as an efficient NRR electrocatalyst for ambient NH3 synthesis. The optimized La-TiO2 catalyst offers a large NH3 yield of 23.06 μg h-1 mgcat-1 and a high Faradaic efficiency of 14.54% at -0.70 V versus reversible hydrogen electrode in 0.1 M LiClO4, outperforming most La- and Ti-based catalysts reported before. Significantly, it also demonstrates high electrochemical stability and its activity decay is negligible after 48 h test. The mechanism is further revealed by density functional theory calculations.

Key words: La doping, Electrocatalytic N2 reduction, Oxygen vacancy, TiO2, Density functional theory