High‐Performance Electrocatalytic Conversion of N2 to NH3 Using Oxygen‐Vacancy‐Rich TiO2 In Situ Grown on Ti3C2Tx MXene

电催化剂 材料科学 可逆氢电极 法拉第效率 电化学 空位缺陷 化学工程 电极 纳米颗粒 纳米技术 氧气 物理化学 结晶学 化学 工作电极 工程类 有机化学
作者
Yanfeng Fang,Zaichun Liu,Jingrui Han,Zhaoyong Jin,Yaqian Han,Faxing Wang,Yusheng Niu,Yuping Wu,Yuanhong Xu
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:9 (16) 被引量:388
标识
DOI:10.1002/aenm.201803406
摘要

Abstract To achieve the energy‐effective ammonia (NH 3 ) production via the ambient‐condition electrochemical N 2 reduction reaction (NRR), it is vital to ingeniously design an efficient electrocatalyst assembling the features of abundant surface deficiency, good dispersibility, high conductivity, and large surface specific area (SSA) via a simple way. Inspired by the fact that the MXene contains thermodynamically metastable marginal transition metal atoms, the oxygen‐vacancy‐rich TiO 2 nanoparticles (NPs) in situ grown on the Ti 3 C 2 T x nanosheets (TiO 2 /Ti 3 C 2 T x ) are prepared via a one‐step ethanol‐thermal treatment of the Ti 3 C 2 T x MXene. The oxygen vacancies act as the main active sites for the NH 3 synthesis. The highly conductive interior untreated Ti 3 C 2 T x nanosheets could not only facilitate the electron transport but also avoid the self‐aggregation of the TiO 2 NPs. Meanwhile, the TiO 2 NPs generation could enhance the SSA of the Ti 3 C 2 T x in return. Accordingly, the as‐prepared electrocatalyst exhibits an NH 3 yield of 32.17 µg h −1 mg −1 cat. at −0.55 V versus reversible hydrogen electrode (RHE) and a remarkable Faradaic efficiency of 16.07% at −0.45 V versus RHE in 0.1 m HCl, placing it as one of the most promising NRR electrocatalysts. Moreover, the density functional theory calculations confirm the lowest NRR energy barrier (0.40 eV) of TiO 2 (101)/Ti 3 C 2 T x compared with Ti 3 C 2 T x or TiO 2 (101) alone.
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