Atomically isolated copper on titanium dioxide for ammonia photosynthesis via nitrate reduction with unprecedently high apparent quantum yield

量子产额 选择性 离解(化学) 材料科学 二氧化钛 光催化 氧气 吸附 产量(工程) 纳米片 光化学 化学 催化作用 纳米技术 物理化学 冶金 生物化学 物理 有机化学 量子力学 荧光
作者
Hyun Sik Moon,Byeongju Song,Jiwon Jeon,Ting-Hsuan Lai,Yu‐Peng Chang,Yi-Dong Lin,Jun Kue Park,Yan‐Gu Lin,Yung‐Jung Hsu,Hyeyoung Shin,Yongju Yun,Kijung Yong
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier]
卷期号:339: 123185-123185 被引量:26
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2023.123185
摘要

Photocatalytic nitrate (NO3) reduction to NH3 (PcNRA) is a sustainable alternative that is considered advantageous over N2 fixation, which suffers from the high dissociation energy and sluggish activation of inactive N2. Although PcNRA has recently been shown to achieve excellent selectivity, its sluggish kinetics restrict the NH3 production efficiency. Herein, we present a single-atom Cu-incorporated TiO2 nanosheet (Cu-TNS) photocatalyst for efficient and selective PcNRA. Single Cu atoms displacing Ti sites accumulate photogenerated electrons, ensuring efficient charge separation and surface NO3 reduction. Moreover, introducing Cu atoms into the TiO2 matrix induces spontaneous defect formation, resulting in oxygen vacancies and lattice strain that promote NO3 adsorption and activation. The simultaneous presence of single Cu atoms and structural defects in Cu-TNS synergistically stimulates PcNRA, leading to a 62-fold enhancement over pristine TiO2 in NH3 production with 97.6% selectivity and an unprecedently high apparent quantum yield of 11.7% at 330 nm under optimized conditions.
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