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Identifying the Origin of Ti3+ Activity toward Enhanced Electrocatalytic N2 Reduction over TiO2 Nanoparticles Modulated by Mixed‐Valent Copper

电催化剂 材料科学 掺杂剂 密度泛函理论 氧化还原 可逆氢电极 空位缺陷 吸附 电化学 分解水 催化作用 电极 无机化学 结晶学 物理化学 化学 兴奋剂 计算化学 光催化 工作电极 光电子学 生物化学 冶金
作者
Tongwei Wu,Haitao Zhao,Xiaojuan Zhu,Zhe Xing,Qian Liu,Tong Liu,Shuyan Gao,Siyu Lu,Guang Chen,Abdullah M. Asiri,Yanning Zhang,Xuping Sun
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:32 (30): e2000299-e2000299 被引量:363
标识
DOI:10.1002/adma.202000299
摘要

Abstract The ambient electrocatalytic N 2 reduction reaction (NRR) enabled by TiO 2 has attracted extensive recent attention. Previous studies suggest the formation of Ti 3+ in TiO 2 can significantly improve the NRR activity, but it still remains unclear what kinds of Ti 3+ are effective. Herein, it is demonstrated that mixed‐valent Cu acts as an effective dopant to modulate the oxygen vacancy (V O ) concentration and Ti 3+ formation, which markedly improves the electrocatalytic NRR performance. In 0.5 m LiClO 4 , this electrocatalyst attains a high Faradic efficiency of 21.99% and a large NH 3 yield of 21.31 µg h −1 mg cat. −1 at –0.55 V vs reversible hydrogen electrode, which even surpasses most reported Ti‐based NRR electrocatalysts. Using density function theory calculations, it is evidenced that mixed‐valent Cu ions modulate the TiO 2 (101) surface with multiple oxygen vacancies, which is beneficial for generating different Ti 3+ 3 d 1 defect states localized below the Fermi energy. N 2 activation and adsorption are effectively strengthened when Ti 3+ 3 d 1 defect states present the splitting of e g and t 2g orbitals, which can be modulated by its coordination structure. The synergistic roles of the three ion pairs formed by the V O defect, including Cu 1+ –Ti 4+ , Ti 3+ –Ti 4+ and Ti 3+ –Ti 3+ , are together responsible for the enhanced NRR performance.
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