Boosting photocatalytic nitrogen reduction reaction by Jahn-Teller effect

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作者
Li Wang,Ben Ma,Yiran Teng,Wansheng Ruan,Gangya Cheng,Xinyu Zhang,Zhihui Li,Zhian Li,Chengyue Han,Alex O. Ibhadon,Fei Teng
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:650 (Pt A): 426-436 被引量:12
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2023.06.191
摘要

Compared with traditional the Haber-Bosch process, photocatalytic ammonia production has attracted a considerable attention due to its advantages of low energy consumption and sustainability. In this work, we mainly study the photocatalytic nitrogen reduction reaction (NRR) on MoO3·0.55H2O and α-MoO3. Structure analysis shows that compared to α-MoO6, the [MoO6] octahedrons in MoO3·0.55H2O obviously distort (Jahn-Teller distortion), leading to the formation of Lewis acid active sites that favors the adsorption and activation of N2. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) further confirms the formation of more Mo5+ as Lewis acid active sites in MoO3·0.55H2O. Transient photocurrent, photoluminescence and electrochemical impedance spectra (EIS) confirmed that MoO3·0.55H2O has a higher charge separation and transfer efficiency than α-MoO3. Density functional theory (DFT) calculation further confirmed that the N2 adsorption on MoO3·0.55H2O is more favorable thermodynamically than that on α-MoO3. As a result, under visible light irradiation (λ ≥ 400 nm) for 60 min, an ammonia production rate of 88.6 μmol·gcat-1 was achieved on MoO3·0.55H2O, which is about 4.6 times higher than that on α-MoO3. In comparison to other photocatalysts, MoO3·0.55H2O exhibits an excellent photocatalytic NRR activity under visible light irradiation without using sacrificial agent. This work offers a new fundamental understanding to photocatalytic NRR from the viewpoint of crystal fine structure, which benefits designing efficient photocatalysts.
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