Enhanced Charge Carrier Dynamics on Sb2Se3 Photocathodes for Efficient Photoelectrochemical Nitrate Reduction to Ammonia

光电阴极 材料科学 氨生产 法拉第效率 硝酸盐 电化学 无机化学 光化学 化学 电极 物理 物理化学 电子 有机化学 量子力学
作者
Shijie Ren,Rui‐Ting Gao,Nhat Truong Nguyen,Lei Wang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (11) 被引量:33
标识
DOI:10.1002/anie.202317414
摘要

Abstract Ammonia (NH 3 ) is recognized as a transportable carrier for renewable energy fuels. Photoelectrochemical nitrate reduction reaction (PEC NO 3 RR) offers a sustainable solution for nitrate‐rich wastewater treatment by directly converting solar energy to ammonia. In this study, we demonstrate the highly selective PEC ammonia production from NO 3 RR by constructing a CoCu/TiO 2 /Sb 2 Se 3 photocathode. The constructed CoCu/TiO 2 /Sb 2 Se 3 photocathode achieves an ammonia Faraday efficiency (FE) of 88.01 % at −0.2 V RHE and an ammonia yield as high as 15.91 μmol h −1 cm −2 at −0.3 V RHE with an excellent onset potential of 0.43 V RHE . Dynamics experiments and theoretical calculations have demonstrated that the CoCu/TiO 2 /Sb 2 Se 3 photocathode possesses high light absorption capacity, excellent carrier transfer capability, and high charge separation and transfer efficiencies. The photocathode can effectively adsorb the reactant NO 3 − and intermediate, and the CoCu co‐catalyst increases the maximum Gibbs free energy difference between NO 3 RR and HER. Meanwhile, the Co species enhances the spin density of Cu, and increases the density of states near the Fermi level in pdos, which results in a high PEC NO 3 RR activity on CoCu/TiO 2 /Sb 2 Se 3 . This work provides a new avenue for the feasibility of efficient PEC ammonia synthesis from nitrate‐rich wastewater.
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