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NH 2 -MIL-101(Fe) Functionalized with MnO x and Pt Nanoparticles for Photocatalytic Nitrogen Fixation: Synergistic Enhancement of Oxidation and Reduction Processes via Co-Catalysts

氧化还原 催化作用 光催化 化学 密度泛函理论 纳米颗粒 光化学 氮气 化学工程 金属 无机化学 反应机理 氧化态 铂金 键裂 还原(数学) 反应速率 降级(电信) 反应中间体 氧化法 固氮 动能 组合化学 纳米技术 动力学
作者
Yì Wáng,Qian Yang,Ximing Li,Ying Tang,Yu Wang,Ke Zhao,Xue Xiao,Feng Yu,Chuanyi Wang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:16 (5): 4792-4802 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c08580
摘要

Precisely modulating the synergistic effect of N2 reduction and H2O oxidation reactions at the molecular level for photocatalytic N2 fixation remains a challenge. Herein, MnOx and Pt nanoparticles (NPs) were decorated onto amine-functionalized metal organic framework NM-Fe {NH2-MIL-101(Fe)}, attempting to promote photoredox reactions simultaneously. Benefiting from the synergy of redox reactions, the optimized Pt@NM-Fe/MnOx exhibits an NH3 production rate of ca. 340 μmol g–1 h–1, which is 4.5 times that of NM-Fe, along with an apparent quantum efficiency (AQE) of 0.33% at 420 nm. 15N isotope labeling experiments demonstrates that the N in the nitrogen reduction reaction (NRR) originated exclusively from N2. The performance improvement can be attributed to the spatial synergy of N2 reduction and H2O oxidation reactions on the Pt@NM-Fe/MnOx composite photocatalyst. More specifically, MnOx acts as the H2O oxidation site by capturing holes to generate H+, while NM-Fe serves as the N2 reduction center by accepting electrons. MnOx captures holes to oxidize H2O into H+, while Pt NPs activate the generated H+ into *H for photocatalytic N2 fixation. Density functional theory calculations indicate that the breakage of the O–H bond in the H2O oxidation process is synchronized with the formation of *NNH in N2 reduction, lowering the energy barrier. The present work demonstrates a synergistic integration strategy that overcomes the kinetic mismatch between the two half-reactions through precise spatial modulation of functional sites.
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