Tuning Local Atomic Structures in MoS2 Based Catalysts for Electrochemical Nitrate Reduction

电化学 催化作用 反硝化 选择性 无机化学 掺杂剂 材料科学 硫黄 硝酸盐 化学 过渡金属 兴奋剂 电极 氮气 物理化学 冶金 有机化学 光电子学
作者
Xiaoyin Tian,Jing Zhang,Kali Rigby,Daniel J. Rivera,Guanhui Gao,Yifeng Liu,Yifan Zhu,Tianyu Zhai,Eli Stavitski,Christopher L. Muhich,Jae Hong Kim,Qilin Li,Jun Lou
出处
期刊:Small [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smll.202310562
摘要

In recent years, there has been a substantial surge in the investigation of transition-metal dichalcogenides such as MoS2 as a promising electrochemical catalyst. Inspired by denitrification enzymes such as nitrate reductase and nitrite reductase, the electrochemical nitrate reduction catalyzed by MoS2 with varying local atomic structures is reported. It is demonstrated that the hydrothermally synthesized MoS2 containing sulfur vacancies behaves as promising catalysts for electrochemical denitrification. With copper doping at less than 9% atomic ratio, the selectivity of denitrification to dinitrogen in the products can be effectively improved. X-ray absorption characterizations suggest that two sulfur vacancies are associated with one copper dopant in the MoS2 skeleton. DFT calculation confirms that copper dopants replace three adjacent Mo atoms to form a trigonal defect-enriched region, introducing an exposed Mo reaction center that coordinates with Cu atom to increase N2 selectivity. Apart from the higher activity and selectivity, the Cu-doped MoS2 also demonstrates remarkably improved tolerance toward oxygen poisoning at high oxygen concentration. Finally, Cu-doped MoS2 based catalysts exhibit very low specific energy consumption during the electrochemical denitrification process, paving the way for potential scale-up operations.
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