Reactivity and Selectivity of Photocatalytic Nitrate Reduction Reaction to Ammonia: Pt, Pd, Ir, and Rh Single Atoms on p-Type TiO2 Nanotubes

化学 光催化 催化作用 亚硝酸盐 反应性(心理学) 选择性 贵金属 硝酸盐 无机化学 氨 光化学 金属 纳米颗粒 氮气 半导体 选择性催化还原 氧化还原 氧化态 选择性还原 电催化剂
作者
Hayoon Jung,Johannes Will,Michal Langer,Rostislav Langer,Štěpán Kment,Michal Otyepka,Erdmann Spiecker,Patrik Schmuki
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c16392
摘要

Abstract We present a systematic study of noble metal (Pt, Pd, Ir, and Rh) single-atom cocatalysts decorated on p-type and quantum-confined TiO2 nanotubes for photocatalytic nitrate reduction to ammonia. All single-atom cocatalysts were prepared through a reactive deposition using different metal precursors, resulting in a single-atom oxidation state (δ+) of δ ≈ 2. At a similar loading concentration (0.2–0.3 at%) and in the absence of any sacrificial agent, Pd single atoms exhibit the highest element-specific activity for ammonia production, while Pt single atoms display a prominent photocatalytic activity with a strong tendency of nitrite reduction toward ammonia. Rh single atoms achieve the highest ammonia selectivity, whereas Ir single atoms predominantly produce nitrite due to inhibited subsequent reduction. Comparisons with single atoms deposited on conventional TiO2 (P25) and with nanoparticles supported on the nanotubes reveal that both the semiconductor properties (quantum confinement effect and p-type conductivity) and the speciation of the cocatalyst (single atom) can significantly enhance activity and selectivity. These findings aid in establishing design principles for different single-atom catalysts toward efficient and selective photocatalytic nitrogen valorization.
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