【詳細(xì)內(nèi)容】
圖1a-b揭露了Pd/TiO2催化劑具有納米陣列的形貌特性:直徑約200nm的TiO2納米棒均勻地垂直生長(zhǎng)的碳布表面。圖1c顯示Pd元素成功地?fù)诫s進(jìn)了TiO2納米陣列中。圖1e中的TEM顯示,Pd摻雜后加大了TiO2的晶面間距。
港城大支春義教授團(tuán)隊(duì)EES: “一箭雙雕”——鋅-硝酸根電池用于電化學(xué)氨合成和
圖1. Pd摻雜TiO2納米陣列電極的結(jié)構(gòu)與形貌表征。
圖2a-c表明,當(dāng)Pd異質(zhì)原子摻入TiO2后,會(huì)導(dǎo)致TiO2的XRD和XPS特征峰的偏移,同時(shí)引起TiO2納米陣列表面能的降低。圖2d-e,電子密度等高線譜和PDOS表明,Pd摻雜確實(shí)導(dǎo)致了TiO2電子結(jié)構(gòu)的改變。這些電子結(jié)構(gòu)的改變預(yù)示著Pd摻雜后TiO2的催化活性會(huì)得到提高。圖2g顯示,摻雜后的TiO2具有更強(qiáng)的電子捕獲能力。表明Pd/TiO2催化劑具有更好的硝酸根還原能力。吉布斯自由能譜也進(jìn)一步的驗(yàn)證了這一結(jié)果:與純的TiO2納米陣列催化劑相比,硝酸根還原的各種中間產(chǎn)物在Pd/TiO2表面的吸附能更靠近0,這有利用中間產(chǎn)物的脫附,意味著Pd/TiO2比純的TiO2具有更高的NORR催化活性。
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圖2. Pd/TiO2納米陣列電極的電子結(jié)構(gòu)表征與催化性能的理論分析。
圖3a實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,Pd摻雜后確實(shí)提高了TiO2催化劑的電化學(xué)活性面積。在含有硝酸根的溶液中,Pd/TiO2催化劑具有更大的還原電流。將Pd/TiO2陣列作為催化電極,組裝的鋅-硝酸根電池展示出了0.87mW cm-2的功率密度,81.3%的NH3法拉第效率。此外,該電池具有持續(xù)放電的功能,經(jīng)過(guò)12小時(shí)的放電,NH3的法拉第效率和產(chǎn)率幾乎不變,同時(shí)還能維持電子表正常工作。
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圖3. 鋅-硝酸根電池的產(chǎn)NH3性能與電池性能的表征。
更進(jìn)一步,作者還研究了Pd/TiO2納米陣列催化劑單純的硝酸根還原性能。圖4表明,在H型電解池中,Pd/TiO2展現(xiàn)出了非常高的硝酸根還原活性,催化劑獲得了超高的 NH3 產(chǎn)率,為1.12 mg cm-2 h-1 (或 0.066 mmol cm-2 h-1)和92.1 %的NH3 FE, 以及接近100%的硝酸根轉(zhuǎn)化率(約99.6%)。
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圖 4. Pd/TiO2納米陣列催化劑單純的硝酸根還原性能表征。
【總結(jié)】
氨對(duì)氮基肥料的生產(chǎn)至關(guān)重要,而電力是人類社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵支柱。此項(xiàng)工作成功地制備了一種Pd摻雜的TiO2納米陣列催化劑,具有優(yōu)異的電還原硝酸制氨的能力。將該納米陣列作為催化劑電極,成功地開(kāi)發(fā)了一種全新的鋅-硝酸根電池系統(tǒng),該電池具“一箭雙雕”的雙功能性,可利用NORR的電子發(fā)電并直接產(chǎn)生氨。該工作不僅證實(shí)了Pd摻雜對(duì)加速 NORR 動(dòng)力學(xué)的積極影響,更重要的是,首次證明了硝酸原電池的可行性,為NH3的生產(chǎn)提供了一個(gè)新的策略,拓寬了鋅基電池的應(yīng)用領(lǐng)域。
原標(biāo)題:港城大支春義教授團(tuán)隊(duì)EES: “一箭雙雕”——鋅-硝酸根電池用于電化學(xué)氨合成和電能輸出