Oxidation State Modulation of Bismuth for Efficient Electrocatalytic Nitrogen Reduction to Ammonia

电催化剂 材料科学 合理设计 可逆氢电极 氨生产 氧化态 催化作用 氮气 电化学 氧化还原 无机化学 化学工程 纳米技术 法拉第效率 组合化学 化学 电极 物理化学 有机化学 工程类 冶金 参比电极
作者
Yuchi Wan,Hongjiang Zhou,Muyun Zheng,Zheng‐Hong Huang,Feiyu Kang,Jia Li,Ruitao Lv
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:31 (30) 被引量:175
标识
DOI:10.1002/adfm.202100300
摘要

Abstract Electrocatalytic nitrogen reduction reaction (NRR) is a promising strategy for ammonia (NH 3 ) production under ambient conditions. However, it is severely impeded by the challenging activation of the NN bond and the competing hydrogen evolution reaction (HER), which makes it crucial to design electrocatalysts rationally for efficient NRR. Herein, the rational design of bismuth (Bi) nanoparticles with different oxidation states embedded in carbon nanosheets (Bi@C) as efficient NRR electrocatalysts is reported. The NRR performance of Bi@C improves with the increase of Bi 0 /Bi 3+ atomic ratios, indicating that the oxidation state of Bi plays a significant role in electrochemical ammonia synthesis. As a result, the Bi@C nanosheets annealed at 900 ° C with the optimal oxidation state of Bi demonstrate the best NRR performance with a high NH 3 yield rate and remarkable Faradaic efficiency of 15.10 ± 0.43% at − 0.4 V versus RHE. Density functional theory calculations reveal that the effective modulation of the oxidation state of Bi can tune the p ‐filling of active Bi sites and strengthen adsorption of *NNH, which boost the potential‐determining step and facilitate the electrocatalytic NRR under ambient conditions. This work may offer valuable insights into the rational material design by modulating oxidation states for efficient electrocatalysis.
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