Photocatalytic Dinitrogen Fixation with Water on Bismuth Oxychloride in Chloride Solutions for Solar-to-Chemical Energy Conversion

化学 光催化 无机化学 光化学 海水 氯化物 紫外线 辐照 催化作用 有机化学 地质学 核物理学 物理 海洋学 量子力学
作者
Yasuhiro Shiraishi,Masaya Hashimoto,Kiyomichi Chishiro,Koichi Moriyama,Shunsuke Tanaka,Takayuki Hirai
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (16): 7574-7583 被引量:141
标识
DOI:10.1021/jacs.0c01683
摘要

Ammonia is an indispensable chemical. Photocatalytic NH3 production via dinitrogen fixation using water by sunlight illumination under ambient conditions is a promising strategy, although previously reported catalysts show insufficient activity. Herein, we showed that ultraviolet light irradiation of a semiconductor, bismuth oxychloride with surface oxygen vacancies (BiOCl-OVs), in water containing chloride anions (Cl-) under N2 flow efficiently produces NH3. The surface OVs behave as the N2 reduction sites by the photoformed conduction band electrons. The valence band holes are consumed by self-oxidation of interlayer Cl- on the catalyst. The hypochloric acid (HClO) formed absorbs ultraviolet light and undergoes photodecomposition into O2 and Cl-. These consecutive photoreactions produce NH3 with water as the electron donor. The Cl- in solution compensates for the removed interlayer Cl- and inhibits catalyst deactivation. Simulated sunlight illumination of the catalyst in seawater stably generates NH3 with 0.05% solar-to-chemical conversion efficiency, thus exhibiting significant potential of the seawater system for artificial photosynthesis.
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