Modulating the Oxidation State of Titanium via Dual Anions Substitution for Efficient N2 Electroreduction

电催化剂 锐钛矿 法拉第效率 催化作用 材料科学 氧化还原 选择性 化学工程 化学吸附 电化学 纳米技术 化学 物理化学 电极 光催化 有机化学 工程类 冶金
作者
Qinglin Li,Cong Fang,Zihao Yang,Bo Yu,Moe Takabatake,Ken Motokura,Xiao‐Yan Sun,Yong Yang
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:18 (25) 被引量:25
标识
DOI:10.1002/smll.202201343
摘要

Abstract The electrocatalytic nitrogen reduction reaction (NRR) is a promising approach for renewable ammonia synthesis but remains significantly challenging due to the low yield and poor selectivity. Herein, a facile N and S dual anions substitution strategy is developed to tune the Ti oxidation states of TiO 2 nanohybrid catalyst (NS‐TiO 2 /C), in which anatase TiO 2 nanoplates with dense Ti 3+ active sites are uniformly dispersed on porous carbon derived from 2D Ti 3 C 2 T x nanosheets. The catalyst NS‐TiO 2 /C exhibits a superior ambient NRR efficiency with an NH 3 yield rate of 19.97 µg h −1 mg −1 cat and Faradaic efficiency of 25.49% and is coupled with a remarkable 50 h long‐term stability at − 0.25 V versus RHE. Both experimental and theoretical results reveal that the N and S dual‐substitution effectively regulate the Ti oxidation state and electronical properties of the NS‐TiO 2 /C via simultaneously forming interstitial and substitutional TiS and TiN bonds in the anatase TiO 2 lattice, inducing oxygen vacancies and dense Ti 3+ active species as well as better electronic conductivity, which substantially facilitates N 2 chemisorption and activation, and reduces the energy barrier of the rate‐determining step, thereby essentially boosting NRR efficiency. This work provides a valuable approach to the rational design of advanced materials by modulating oxidation states for efficient electrocatalysis.
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