Tuning Surface Potential Polarization to Enhance N2 Affinity for Ammonia Electrosynthesis

电合成 材料科学 法拉第效率 吸附 纳米技术 电催化剂 傅里叶变换红外光谱 氧化还原 电化学 化学工程 物理化学 电极 工程类 化学 冶金
作者
Hongbo Wang,Chenyang Zhang,Boling Liu,Wenqing Li,Changzhong Jiang,Zunjian Ke,Dong He,Xiangheng Xiao
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (24): e2401032-e2401032 被引量:34
标识
DOI:10.1002/adma.202401032
摘要

Abstract Electrocatalytic N 2 reduction reaction (NRR) to synthesize ammonia is a sustainable reaction that is expected to replace Haber Bosch process. Laminated Bi 2 WO 6 has great potential as an NRR electrocatalyst, however, the effective activity requires that the inert substrate is fully activated. Here, for the first time, success is achieved in activating the Bi 2 WO 6 basal planes with NRR activity through Ti doping. The introduction of Ti successfully tunes the surface potential distribution and enhances the N 2 adsorption. The subsequently strong hybrid coupling of d(Ti)‐p(N) orbitals fills the electronic state of N 2 antibonding molecular orbital, which greatly weakens the bonding strength of N≡N bonds. Further, in situ synchrotron radiation‐based Fourier transform infrared (SR‐FTIR) spectrum and theoretical calculations show that surface potential polarization enhances the adsorption of HNN* by Bi‐Ti dual‐metal sites, which is beneficial for the subsequent activation hydrogenation process. The Ti‐Bi 2 WO 6 nanosheets achieve 11.44% Faradaic efficiency (−0.2 V vs. RHE), a NH 3 yield rate of 23.14 µg mg −1 h −1 ( 15 N calibration), and satisfactory stability in 0.1 M HCl environment. The mutual assistance of theory and experiment can help understand and develop of excellent two‐dimensional (2D) materials for the NRR.
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