Unraveling Synergistic Effect of Defects and Piezoelectric Field in Breakthrough Piezo‐Photocatalytic N2 Reduction

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作者
Jie Yuan,Wenhui Feng,Yongfan Zhang,Jianyu Xiao,Xiaoyan Zhang,Yinting Wu,Wenkang Ni,Hongwei Huang,Wenxin Dai
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (5): e2303845-e2303845 被引量:152
标识
DOI:10.1002/adma.202303845
摘要

Abstract Piezo‐photocatalysis is a frontier technology for converting mechanical and solar energies into crucial chemical substances and has emerged as a promising and sustainable strategy for N 2 fixation. Here, for the first time, defects and piezoelectric field are synergized to achieve unprecedented piezo‐photocatalytic nitrogen reduction reaction (NRR) activity and their collaborative catalytic mechanism is unraveled over BaTiO 3 with tunable oxygen vacancies (OVs). The introduced OVs change the local dipole state to strengthen the piezoelectric polarization of BaTiO 3 , resulting in a more efficient separation of photogenerated carrier. Ti 3+ sites adjacent to OVs promote N 2 chemisorption and activation through d–π back‐donation with the help of the unpaired d‐orbital electron. Furthermore, a piezoelectric polarization field could modulate the electronic structure of Ti 3+ to facilitate the activation and dissociation of N 2 , thereby substantially reducing the reaction barrier of the rate‐limiting step. Benefitting from the synergistic reinforcement mechanism and optimized surface dynamics processes, an exceptional piezo‐photocatalytic NH 3 evolution rate of 106.7 µmol g −1 h −1 is delivered by BaTiO 3 with moderate OVs, far surpassing that of previously reported piezocatalysts/piezo‐photocatalysts. New perspectives are provided here for the rational design of an efficient piezo‐photocatalytic system for the NRR.
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