Electro- and Photocatalytic Conversion of N2 to NH3 by Chemically Modified Transition Metal Dichalcogenides, MoS2, and WS2

光催化 过渡金属 催化作用 化学 光化学 氨生产 氧化还原 材料科学 无机化学 有机化学
作者
Ashwin Ganesan,Samar Alhowity,Ajyal Z. Alsaleh,Manan Guragain,Olatomide Omolere,Thomas R. Cundari,Jeffry A. Kelber,Francis D’Souza
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [Institute of Physics]
卷期号:170 (5): 056501-056501 被引量:17
标识
DOI:10.1149/1945-7111/acd02d
摘要

Electro- and photocatalytic reduction of N 2 to NH 3 —the nitrogen reduction reaction (NRR)—is an environmentally- and energy-friendly alternative to the Haber-Bosch process for ammonia production. There is a great demand for the development of novel semiconductor-based electrocatalysts with high efficiency and stability for the direct conversion of inert substrates—including N 2 to ammonia—using visible light irradiation under ambient conditions. Herein we report electro-, and photocatalytic NRR with transition metal dichalcogenides (TMDCs), viz MoS 2 and WS 2 . Improved acid treatment of bulk TMDCs yields exfoliated TMDCs (exTMDCs) only a few layers thick with ∼10% S vacancies. Linear scan voltammograms on exMoS 2 and exWS 2 electrodes reveal significant NRR activity for exTMDC-modified electrodes, which is greatly enhanced by visible light illumination. Spectral measurements confirm ammonia as the main reaction product of electrocatalytic and photocatalytic NRR, and the absence of hydrazine byproduct. Femtosecond-resolved transient absorption studies provide direct evidence of interaction between photo-generated excitons/trions with N 2 adsorbed at S vacancies. DFT calculations corroborate N 2 binding to exMoS 2 at S-vacancies, with substantial π -backbonding to activate dinitrogen. Our findings suggest that chemically functionalized exTMDC materials could fulfill the need for highly-desired, inexpensive catalysts for the sustainable production of NH 3 using Sunlight under neutral pH conditions without appreciable competing production of H 2 .
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