Two-Dimensional Mosaic Bismuth Nanosheets for Highly Selective Ambient Electrocatalytic Nitrogen Reduction

法拉第效率 纳米片 电催化剂 催化作用 可逆氢电极 材料科学 氧化还原 无机化学 纳米技术 化学工程 化学 电化学 电极 有机化学 工作电极 冶金 物理化学 工程类
作者
Laiquan Li,Cheng Tang,Bingquan Xia,Huanyu Jin,Yao Zheng,Shi‐Zhang Qiao
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:9 (4): 2902-2908 被引量:550
标识
DOI:10.1021/acscatal.9b00366
摘要

Electrochemical fixation of N₂ to ammonia is a promising strategy to store renewable energy and mitigate greenhouse gas emissions. However, it usually suffers from extremely low ammonia yield and Faradaic efficiency because of the lack of efficient electrocatalysts and the competing hydrogen evolution reaction. Herein, we report that the semiconducting bismuth can be a promising catalyst for ambient electrocatalytic N₂ reduction reaction (NRR). A two-dimensional mosaic bismuth nanosheet (Bi NS) was fabricated via an in situ electrochemical reduction process and exhibited favorable average ammonia yield and Faradaic efficiency as high as 2.54 ± 0.16 μgNH₃ cm⁻² h⁻¹ (∼13.23 μg mgcat.⁻¹ h⁻¹) and 10.46 ± 1.45% at −0.8 V versus reversible hydrogen electrode in 0.1 M Na₂SO₄. The high NRR electrocatalytic activity of the Bi NS could be attributed to the sufficient exposure of edge sites coupled with effective p-orbital electron delocalization in the mosaic bismuth nanosheets. In addition, the semiconducting feature, which limits surface electron accessibility, could effectively enhance the Faradaic efficiency. This work highlights the potential importance of less reactive main group elements with tunable p-electron density, semiconducting property, and ingenious nanostructure for further exploration of N₂ reduction reaction electrocatalysts.
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