Electron deficient boron-doped amorphous carbon nitride to uphill N2 photo-fixation through π back donation

光催化 材料科学 电子转移 吸附 光化学 带隙 无定形碳 无定形固体 质子化 氮化碳 兴奋剂 化学 结晶学 有机化学 催化作用 光电子学 离子
作者
Sara Ajmal,Aamir Rasheed,Ngoc Quang Tran,Xiaodong Shao,Yosep Hwang,Viet Q. Bui,Young Dok Kim,Jeongyong Kim,Hyoyoung Lee
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier BV]
卷期号:321: 122070-122070 被引量:57
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2022.122070
摘要

The photocatalytic Nitrogen fixation to NH 3 by using water as a protonation source is a requisite renovation for life. Albeit, the activation and adsorption of robust N N is the bottleneck in NH 3 synthesis. Here, we report an amorphous-wrinkled hollow-tubular electron-deficient boron-doped carbon nitride (BCN) for improved photocatalytic N 2 fixation via “σ donation and π back donation”. The electron-deficient B played synergetic roles to activate and stabilize the adsorbed N 2 i.e. (i) It tunes the bandgap of CN for effective light absorption and charge transfer; (ii) The B-N coordination site polarizes chemisorbed N 2 via electron pair acceptance; (iii) The filled sp 2 orbital of B activates the N 2 by π-back donation. Consequently, the photocatalytic performance of BCN-4 reaches 0.93mmolh -1 g -1 with AQY of ~13% (350 nm) and solar to NH 3 conversion efficiency (SSC NH3 ) of 0.017%. The in situ DRIFT and DFT studies revealed that BCN exhibited spontaneous N 2 adsorption and activation, followed by protonation of the adsorbed N 2 , with a negligible energy barrier. The data that support the findings of this study are available in the supplementary material of this article. • Salt template approach has been applied to synthesize a porous hollow tubular BCN. • Metallomimetic B chemisorbs and activates N 2 in light along with bandgap adjustment. • The macro and mesopores in CN facilitate light absorption and charge transfer. • Excellent photocatalytic NRR rate (0.92 mmol) and AQY (13%) is achieved by B doping. • Electron deficient B selectively promotes N 2 reduction by suppressing proton adsorption.
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