Novel Two-Dimensional Metal-Based π-d Conjugated Nanosheets as Photocatalyst for Nitrogen Reduction Reaction: The First-Principle Investigation

材料科学 过电位 光催化 氧化还原 光化学 催化作用 半导体 共轭体系 密度泛函理论 纳米技术 金属 光电子学 化学 有机化学 电化学 计算化学 物理化学 电极 聚合物 复合材料 冶金
作者
Lixue Xia,Zhaoyang Wang,Yan Zhao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (4): 5384-5394 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acsami.1c21789
摘要

Photocatalytic nitrogen reduction reaction (NRR) is becoming a promising route for producing green and sustainable ammonia under ambient conditions. However, the development of highly efficient photocatalysts for NRR still remains a grand challenge as a result of the sluggish activation of inert N2, the competitive hydrogen evolution reaction (HER), and inadequate photogenerated external potential, which usually cause extremely poor NRR performance and low light utilization efficiency. Herein, on the basis of density functional theory (DFT) computations, we rationally designed a series of two-dimensional (2D) π-d conjugated metal-B3N3 (M3B6N6S12) semiconductors. Using the electron "σ acceptance-π* backdonation" process, Mo3B6N6S12 and Nb3B6N6S12 can efficiently activate and reduce N2 to ammonia with a rather low overpotential of 0.07 and 0.21 V, respectively. Importantly, a high photogenerated external potential enables spontaneous NRR on Mo3B6N6S12 and Nb3B6N6S12 under visible/infrared light irradiation, contributing to the extraordinary photoactivity of Mo3B6N6S12 and Nb3B6N6S12 as promising solar light-driven N2 fixation catalysts. Meanwhile, the competing HER is effectively restrained. For the first time, we rationally propose a series of M3B6N6S12 semiconductors as promising metal-based photocatalysts for N2 reduction with extraordinary photoactivity and a high photogenerated external potential. This work paves a new path for the rational designing of 2D metal-based NRR photocatalysts with high activity, good selectivity, and high stability.

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