晶相和表面结构工程Bi₂O₃用于增强的电化学N₂固定到NH₃

科学领域:

• 电化学 电化学 电化学
• 材料科学 材料科学 材料科学
• 催化剂是一种催化剂.

背景情况:

• 降解反应 (NRR) 对氨合成至关重要,但受到弱N2吸附/激活和竞争演变反应 (HER) 的限制.
• 氧化物 (Bi₂O₃) 是一种潜在的电催化剂,但其性能受到晶相和表面特性的影响.

研究的目的:

• 调查Bi2O3晶相 (单临床αBi2O3与四边形βBi2O3对比) 对N2O3吸附,激活和HER的影响.
• 合成和优化基于Bi₂O₃的催化剂,具有表面氧空缺 (OV) 和Bi⁰活性位点,以提高NRR性能.
• 提供关于合理设计基电催化剂的见解,以实现高效的氨合成.

主要方法:

• 在不同温度下通过化合成αBi₂O₃和βBi₂O₃.
• 使用NaBH₄进行局部降低,以引入表面OV和Bi⁰活性位点.
• 对NRR和HER的电化学测量,包括氨产量和法拉第效率 (FE).
• 在现场FTIR光谱检测以确认N2的吸附/激活机制.
• 密度函数理论 (DFT) 计算以确定反应能量障碍.

主要成果:

• 与αBi₂O₃相比,四角形βBi₂O₃表现出优越的N₂吸附/裂变和较低的NRR速率限制能量屏障 (0.51 eV).
• βBi₂O₃通过限制质子吸附 (屏障:0.54 eV) 有效地抑制HER.
• 通过NaBH减少引入OV和Bi0活性位点,可显著提高αBi2O和βBi2O催化剂的NH3产量和FE.
• 优化的βBi₂O₃-0.6催化剂实现了最高的NH₃产量 (51.36μg h^-1 mg^-1_cat) 和FE (38.67%),超过了大多数基于木的NRR催化剂.
• 在现场FTIR证实了N₂对βBi₂O₃和远端NRR机制的吸附.

结论:

• Bi2的晶相显著影响NRR和HER的性能,βBi2的晶相更有利.
• 用OV和Bi^{0活动位点进行表面修改是提高NRR效率和选择性的有效策略.}
• 优化的βBi₂O₃-0.6催化剂代表了通过NRR合成氨的有希望的电催化剂.