Surface Plasmon Enabling Nitrogen Fixation in Pure Water through a Dissociative Mechanism under Mild Conditions

化学 X射线光电子能谱 离解(化学) 等离子体子 光化学 化学物理 环境压力 吸附 化学工程 光电子学 物理化学 材料科学 热力学 物理 工程类
作者
Canyu Hu,Xing Chen,Jianbo Jin,Yong Han,Shuangming Chen,Huanxin Ju,Jun Cai,Yunrui Qiu,Chao Gao,Chengming Wang,Zeming Qi,Ran Long,Li Song,Zhi Liu,Yujie Xiong
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:141 (19): 7807-7814 被引量:298
标识
DOI:10.1021/jacs.9b01375
摘要

Nitrogen fixation in a simulated natural environment (i.e., near ambient pressure, room temperature, pure water, and incident light) would provide a desirable approach to future nitrogen conversion. As the N≡N triple bond has a thermodynamically high cleavage energy, nitrogen reduction under such mild conditions typically undergoes associative alternating or distal pathways rather than following a dissociative mechanism. Here, we report that surface plasmon can supply sufficient energy to activate N2 through a dissociative mechanism in the presence of water and incident light, as evidenced by in situ synchrotron radiation-based infrared spectroscopy and near ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy. Theoretical simulation indicates that the electric field enhanced by surface plasmon, together with plasmonic hot electrons and interfacial hybridization, may play a critical role in N≡N dissociation. Specifically, AuRu core-antenna nanostructures with broadened light adsorption cross section and active sites achieve an ammonia production rate of 101.4 μmol g–1 h–1 without any sacrificial agent at room temperature and 2 atm pressure. This work highlights the significance of surface plasmon to activation of inert molecules, serving as a promising platform for developing novel catalytic systems.

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