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Dual Active Sites Boosting Photocatalytic Nitrogen Fixation over Upconversion Mineral Nanocomposites under the Full Spectrum

光催化 光子上转换 材料科学 光化学 可见光谱 兴奋剂 化学 无机化学 催化作用 光电子学 有机化学
作者
Shixiang Zuo,Hai-Guang Zhang,Xiazhang Li,Chaoya Han,Chao Yao,Chaoying Ni
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:10 (4): 1440-1450 被引量:38
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.1c06474
摘要

Photocatalytic nitrogen fixation has been considered as one of the most potential alternatives for the synthesis of ammonia; however, how to make full use of solar energy and how to cleave the strong N≡N bond remain great challenges. Herein, the attapulgite (ATP) mineral was modified with iron followed by the immobilization of doped CeF3 nanoparticles to form a CeF3:Yb3+, Er3+/Fe-ATP heterostructure, which was utilized as a photocatalyst for nitrogen fixation. Results showed that doping of the activator Yb3+ and the sensitizer Er3+ generated fluorine vacancies (Fv) in the CeF3 matrix, which formed dual active sites with Fe ions in ATP, benefiting the adsorption and activation of N2 molecules. In addition, Fe-reconstructed ATP had a narrow band gap responsive in the visible region, while CeF3-doped Yb3+ and Er3+ facilitated transforming near-infrared light (NIR) into ultraviolet (UV) and visible light, both of which contributed to extending the harvest range in the full spectrum. The influence of the Er3+ doping ratio and loading amount of fluoride on the generation of ammonia was explored. Notably, the separation of photogenerated charge carriers and the redox potentials was enhanced due to the rational indirect Z-scheme heterostructure mediated by Fv. Under solar light irradiation, the NH4+ production rate achieved the highest value of 253.6 μmol·h–1·g–1 when the Er doping amount was optimized to be 3 mol % and the loading of CeF3:Yb3+, Er3+ was 20 wt %, and it even reached 40.3 μmol·h–1·g–1 under NIR irradiation. The current study may offer a sustainable strategy to use full solar energy and natural minerals for efficient ammonia synthesis.
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