Photoenhanced Electrochemical Conversion of Nitrate to Ammonia Via Sulfur Vacancy-Rich Exfoliated MoS2

硫黄 硝酸盐 电化学 空位缺陷 催化作用 无机化学 化学 氨生产 材料科学 有机化学 物理化学 结晶学 电极
作者
Manan Guragain,Alankar Kafle,Qasim Adesope,Mohammad K. Altafi,Stella Chinela Amagbor,V. V. Mesilov,Jeffry A. Kelber,Thomas R. Cundari,Francis D’Souza
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (23): 18085-18094 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c05730
摘要

Nitrate ion is a common pollutant in surface and groundwater. Hence, its catalytic conversion into ammonia at ambient conditions by electrochemical and photoelectrochemical pathways is an attractive alternative to current ammonia production from the energy-intensive and high-carbon-featuring Haber-Bosch process. As such, developing highly active and product-selective catalysts with good durability and cost-effectiveness is highly desired. In this work, exfoliated MoS2-x is reported as a highly active and selective electrocatalyst and a photoelectrocatalyst for nitrate reduction to ammonia. Exfoliation via the acid treatment of bulk MoS2 results in exfoliated MoS2-x, which is only a few layers thick and has a high degree of sulfur vacancies (ca. 12−13%). Electrochemical studies and electrolysis product analysis reveal promising nitrate reduction activity, which is found to be highly enhanced by the application of visible light illumination. The exfoliated MoS2-x achieves a Faradaic efficiency of 69% with an ammonia yield rate of 5.56 mmol gcat–1 h–1 in the absence of a light source, which is enhanced to 80% with an ammonia yield of 7.48 mmol gcat–1 h–1 upon visible light illumination. DFT calculations support the binding of nitrate and other NOx species to the sulfur vacancies, resulting in the formation of *N, which is then reduced to ammonia.
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