Modulating electronic structures of MOF through orbital rehybridization by Cu doping promotes photocatalytic reduction of nitrate to produce ammonia

材料科学 光催化 氨生产 兴奋剂 密度泛函理论 吸附 电子转移 硝酸盐 化学工程 无机化学 光化学 光电子学 催化作用 物理化学 计算化学 有机化学 化学 工程类
作者
Yun Zhao,Jing Shen,Jing Yuan,Haifang Mao,Xiqing Cheng,Zhenmin Xu,Zhenfeng Bian
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:124: 109499-109499 被引量:56
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2024.109499
摘要

Ammonia synthesis through nitrate reduction can mitigate nitrate pollution and fulfill energy demands. However, the process still has limitations because it is a complex eight-electron reduction process with a high energy barrier. Herein, Cu2+, which is a highly electronegative element, was successfully integrated into NH2–MIL-125 (Cu–NM) using an in situ solvothermal method. This incorporation regulates the band structure of MOFs, promoting the generation and directional transfer of photogenerated charges. Furthermore, it enhances the electron density of the Cu active sites, effectively improving the catalytic activity of the catalyst s for ammonia synthesis. Density functional theory (DFT) calculations and in situ characterization further confirmed that Cu doping induces p–d hybridization between Cu 3d and NO3− O 2p orbitals. This facilitates the formation of a more stable bidentate mode adsorption structure for nitrates (NO3−) on the Cu sites, reducing the activation energy barrier of the active intermediates. Consequently, Cu–NM exhibited a high ammonia yield of 32.8 mg gcat−1.h−1 and high selectivity of 94.8%, outperforming the catalysts reported in previous studies. This study provides valuable insights into the advancement of highly active photocatalysts for nitrate reduction and ammonia production.
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