Double-Phase Heterostructure within Fe-Doped Cu2–xS Quantum Dots with Boosted Electrocatalytic Nitrogen Reduction

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作者
Dongxu Zhang,Yanhong Liu,Baodong Mao,Haitao Li,Tianyao Jiang,Dongqi Zhang,Weixuan Dong,Weidong Shi
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:9 (7): 2844-2853 被引量:38
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.0c08708
摘要

Electrochemical nitrogen reduction reaction (NRR) is considered as one of the most promising methods for NH3 synthesis under room temperature and ambient pressure. A grand challenge of NRR is the development of efficient electrocatalysts, for which the delicate nanostructuring of catalysts plays an important role. Herein, a series of Fe-doped Cu2–xS quantum dots (QDs) are synthesized with multiple active sites and interface engineering, in which the double-phase heterostructure plays a key role for boosting NRR activity. The yield of NH3 was obviously improved with the increase of Fe content from 0 to 3% but started to decrease with Fe from 3 to 9%. The optimized Fe3%–Cu2–xS QDs show an outstanding NH3 yield of 26.4 μg h–1 mg–1cat at −0.7 V (vs the reversible hydrogen electrode), which is 5 times higher than that of Cu2–xS QDs. More importantly, we observed that the highest NRR activity in Fe3%–Cu2–xS QDs was ascribed to the formation of an inherent double-phase heterostructure of Cu2–xS/Cu5FeS4, whereas the complete conversion to single-phase Cu5FeS4 with increased Fe doping (9%) resulted in the activity decrease. Further, N2 temperature-programmed desorption and electrochemical impedance spectra characterizations confirm the stronger chemical adsorption of N2 and faster charge transfer in the Cu2–xS/Cu5FeS4 QDs. A plausible mechanism was proposed for the double-phase Cu2–xS/Cu5FeS4 heterostructure, where the interface provides efficient charge transfer and more active sites of Cu, Fe, and S for the synergetic adsorption and activation of N2. Our work provides a simple strategy for the design of NRR electrocatalysts, which may also bring new inspiration for the preparation of the inherent double-phase heterostructure within other doped QDs.
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