Nitrogen Vacancies on 2D Layered W2N3: A Stable and Efficient Active Site for Nitrogen Reduction Reaction

材料科学 氮气 电化学 法拉第效率 氧化还原 可逆氢电极 无机化学 纳米片 空位缺陷 氨生产 物理化学 电极 纳米技术 结晶学 化学 有机化学 冶金 参比电极
作者
Huanyu Jin,Laiquan Li,Xin Liu,Cheng Tang,Wenjie Xu,Shuangming Chen,Li Song,Yao Zheng,Shi Zhang Qiao
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:31 (32) 被引量:459
标识
DOI:10.1002/adma.201902709
摘要

Abstract Electrochemical nitrogen reduction reaction (NRR) under ambient conditions provides an avenue to produce carbon‐free hydrogen carriers. However, the selectivity and activity of NRR are still hindered by the sluggish reaction kinetics. Nitrogen Vacancies on transition metal nitrides are considered as one of the most ideal active sites for NRR by virtue of their unique vacancy properties such as appropriate adsorption energy to dinitrogen molecule. However, their catalytic performance is usually limited by the unstable feature. Herein, a new 2D layered W 2 N 3 nanosheet is prepared and the nitrogen vacancies are demonstrated to be active for electrochemical NRR with a steady ammonia production rate of 11.66 ± 0.98 µg h −1 mg cata −1 (3.80 ± 0.32 × 10 −11 mol cm −2 s −1 ) and Faradaic efficiency of 11.67 ± 0.93% at −0.2 V versus reversible hydrogen electrode for 12 cycles (24 h). A series of ex situ synchrotron‐based characterizations prove that the nitrogen vacancies on 2D W 2 N 3 are stable by virtue of the high valence state of tungsten atoms and 2D confinement effect. Density function theory calculations suggest that nitrogen vacancies on W 2 N 3 can provide an electron‐deficient environment which not only facilitates nitrogen adsorption, but also lowers the thermodynamic limiting potential of NRR.
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