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Robust route to H2O2 and H2 via intermediate water splitting enabled by capitalizing on minimum vanadium-doped piezocatalysts

催化作用 兴奋剂 离解(化学) 分解水 密度泛函理论 材料科学 纳米技术 环境污染 化学工程 化学 无机化学 光催化 物理化学 计算化学 有机化学 光电子学 环境科学 工程类 环境保护
作者
Yuekun Li,Li Li,Fangyan Liu,Biao Wang,Feng Gao,Chuan Liu,Jingyun Fang,Feng Huang,Zhang Lin,Mengye Wang
出处
期刊:Nano Research [Springer Nature]
卷期号:15 (9): 7986-7993 被引量:50
标识
DOI:10.1007/s12274-022-4506-0
摘要

H2O2 is an environmentally friendly chemical for a wide range of water treatments. The industrial production of H2O2 is an anthraquinone oxidation process, which, however, consumes extensive energy and produces pollution. Here we report a green and sustainable piezocatalytic intermediate water splitting process to simultaneously obtain H2O2 and H2 using single crystal vanadium (V)-doped NaNbO3 (V-NaNbO3) nanocubes as catalysts. The introduction of V improves the specific surface area and active sites of NaNbO3. Notably, V-NaNbO3 piezocatalysts of 10 mg exhibit 3.1-fold higher piezocatalytic efficiency than the same catalysts of 50 mg, as more piezocatalysts lead to higher probability of aggregation. The aggregation causes reducing active sites and decreased built-in electric field due to the neutralization between different nano-catalysts. Remarkably, piezocatalytic H2O2 and H2 production rates of V-NaNbO3 (10 mol%) nanocubes (102.6 and 346.2 µmol·g−1·h−1, respectively) are increased by 2.2 and 4.6 times compared to the as-prepared pristine NaNbO3 counterparts, respectively. This improved catalytic efficiency is attributed to the promoted piezo-response and more active sites of NaNbO3 catalysts after V doping, as uncovered by piezo-response force microscopy (PFM) and density functional theory (DFT) simulation. More importantly, our DFT results illustrate that inducing V could reduce the dynamic barrier of water dissociation over NaNbO3, thus enhancing the yield of H2O2 and H2. This facile yet robust piezocatalytic route using minimal amounts of catalysts to obtain H2O2 and H2 may stand out as a promising candidate for environmental applications and water splitting.
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