Bi2Ti2O7 Quantum Dots for Efficient Photocatalytic Fixation of Nitrogen to Ammonia: Impacts of Shallow Energy Levels

光催化 量子点 氮气 材料科学 焦绿石 纳米片 吸附 固氮 氧气 无机化学 纳米技术 化学工程 化学 催化作用 物理化学 冶金 有机化学 工程类 生物化学 相(物质)
作者
Pengkun Li,Runjie Wu,Peishen Li,Shuai Gao,Zeping Qin,Xingjian Song,Wenming Sun,Zhaorui Hua,Qiang Wang,Shaowei Chen
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:11 (41): e2408829-e2408829 被引量:20
标识
DOI:10.1002/advs.202408829
摘要

Abstract Photocatalytic fixation of nitrogen to ammonia represents an attractive alternative to the Haber–Bosch process under ambient conditions, and the performance can be enhanced by defect engineering of the photocatalysts, in particular, formation of shallow energy levels due to oxygen vacancies that can significantly facilitate the adsorption and activation of nitrogen. This calls for deliberate size engineering of the photocatalysts. In the present study, pyrochlore Bi 2 Ti 2 O 7 quantum dots and (bulk‐like) nanosheets are prepared hydrothermally by using bismuth nitrate and titanium sulfate as the precursors. Despite a similar oxygen vacancy concentration, the quantum dots exhibit a drastically enhanced photocatalytic performance toward nitrogen fixation, at a rate of 332.03 µmol g −1 h −1 , which is 77 times higher than that of the nanosheet counterpart. Spectroscopic and computational studies based on density functional theory calculations show that the shallow levels arising from oxygen vacancies in the Bi 2 Ti 2 O 7 quantum dots, in conjunction with the moderately constrained quantum confinement effect, facilitate the chemical adsorption and activation of nitrogen.
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