Refining electronic properties of Bi2MoO6 by In-doping for boosting overall nitrogen fixation via relay catalysis

兴奋剂 催化作用 密度泛函理论 光催化 硝酸盐 氮气 化学工程 电荷密度 材料科学 化学 计算化学 光电子学 有机化学 工程类 物理 量子力学
作者
Taoxia Ma,Chunming Yang,Li Guo,Razium Ali Soomro,Danjun Wang,Bin Xu,Feng Fu
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier]
卷期号:330: 122643-122643 被引量:70
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2023.122643
摘要

Modern agriculture and the chemical industries rely heavily on ammonia and nitrate-based products. However, the classic Haber-Bosch and Ostwald processes are extremely energy-consuming and environmentally damaging. Herein, we proposed In-doped Bi2MoO6 photocatalyst to achieve "overall nitrogen fixation" via relay catalysis (N2→NH3/NH4+→NO3-). Density functional theory (DFT) supported the partial substitution of Bi3+ with In3+ in Bi2MoO6. The density of states further testified that In3+ doping has significantly altered the d-band center, achieving a lower energy barrier for N2 chemisorption/activation and the subsequent hydrogenation reaction at the H2O/In-doped Bi2MoO6 interface. The experiment revealed that using N2 and H2O as feedstock, 5% In-Bi2MoO6 realized 1.4 folds higher charge-carrier density under illumination with expedited spatial separation/transfer and extended charge-carrier lifespan compared to Bi2MoO6. The photocatalyst attained the NH3 production rate of 53.4 μmol·g–1·h–1 at 5% In-Bi2MoO6, which was 13-fold higher than Bi2MoO6 (4.1 μmol·g–1·h–1) while the NO3- production rate reached 54 μmol·g–1·h–1. This work overcame the thermodynamic barrier of N2 being first reduced to NH3/NH4+, then further oxidized to NO3- products, realizing "overall nitrogen fixation", opening a new avenue toward developing clean, energy-saving, and cost-effective ammonia and nitrate production.
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