Enhanced Charge‐Carrier Dynamics and Efficient Photoelectrochemical Nitrate‐to‐Ammonia Conversion on Antimony Sulfide‐Based Photocathodes

光电阴极 氨生产 化学 催化作用 硫化物 无机化学 能量转换效率 光化学 材料科学 光电子学 电子 有机化学 生物化学 物理 量子力学
作者
Shijie Ren,Rui‐Ting Gao,Jidong Yu,Yang Yang,Xianhu Liu,Limin Wu,Lei Wang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (48) 被引量:6
标识
DOI:10.1002/anie.202409693
摘要

Abstract The photoelectrochemical reduction of nitrate to ammonia (PEC NO 3 RR) has emerged as a promising pathway for facilitating the natural nitrogen cycle. The PEC NO 3 RR can lower the reduction potential needed for ammonia synthesis through photogenerated voltage, showcasing the significant potential for merging abundant solar energy with sustainable nitrogen fixation. However, it is influenced by the selective photocathodes with poor carrier kinetics, low catalytic selectivity, and ammonia yields. There are few reports on suitable photoelectrodes owning efficient charge transport on PEC NO 3 RR at low overpotentials. Herein, we rationally constructed the CuSn alloy co‐catalysts on the antimony sulfides with a highly selective PEC ammonia and an ultra‐low onset potential (0.62 V RHE ). CuSn/TiO 2 /Sb 2 S 3 photoelectrodes achieved an ammonia faradic efficiency of 97.82 % at a low applied potential of 0.4 V RHE , and an ammonia yield of 16.96 μmol h −1 cm −2 at 0 V RHE under one sun illumination. Dynamics experiments and theoretical calculations have demonstrated that CuSn/TiO 2 /Sb 2 S 3 has an enhanced charge separation and transfer efficiency, facilitating photogenerated electrons to participate in PEC NO 3 RR quickly. Meanwhile, moderate NO 2 * adsorption on this photocathode optimizes the catalytic activity and increases the NH 4 + yield. This work opens an avenue for designing sulfide‐based photocathodes for the efficient route of solar‐to‐ammonia conversion.
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