通訊作者：Thomas F. Jaramillo, Sung-Yeon Jang, Ji-Wook Jang
通訊單位：蔚山科學技術院
成果速覽
本研究開發了一種基于鈣鈦礦的光電陰極，通過與電催化劑集成實現了高選擇性的氨（NH3）生產和甘油氧化，無需外加偏壓。
該系統展示了21.2 ± 0.7 mA cm?2的光電流密度和1,744.9 ± 20.6 μgNH3 cm?2h?1的太陽到氨的生產力（SAP），以及99.5 ± 0.8%的法拉第效率（FE），無需外加偏壓即可實現氨的生產。同時，甘油被選擇性氧化為甘油酸，作為主要的增值產品。
圖文導讀
圖1：展示了用于氨生產的光電化學（PEC）電池的設計，其中Ru@TiNS/Ni/鈣鈦礦光電陰極與Pt@TiNS陽極結合，實現了同時無偏壓的氨生產和甘油增值。
圖2：展示了Ru@TiNS電催化劑的表征及其氨生產性能，包括XRD圖譜、TEM圖像、XPS Ti 2p峰、Ru K-edge XANES比較、J–V曲線、控制實驗、LSV曲線、NH3 FE、電流密度和NH3濃度等。
圖3：展示了鈣鈦礦光電陰極用于氨生產的光電化學性能。
圖4：展示了制備的電催化劑的物理化學和形態學表征。
圖5：展示了無偏壓氨生產與同時甘油增值的情況。
亮點介紹
1. 研究開發了一種高性能的三元陽離子鉛鹵化物鈣鈦礦光電陰極，與集成電催化劑相結合，實現了高選擇性的氨生產和甘油氧化。
2. 該系統在無需外加偏壓的情況下，展示了21.2 ± 0.7 mA cm?2的光電流密度和1,744.9 ± 20.6 μgNH3 cm?2h?1的太陽到氨的生產力（SAP），以及99.5 ± 0.8%的法拉第效率（FE）。
3. 通過使用Ru和Pt電催化劑負載在導電穩定的鈦酸鹽納米片上，代替了易腐蝕的碳基支撐，提高了系統的穩定性和選擇性。
4. 研究同時實現了氨的生產和甘油的增值氧化，將生物質廢棄物轉化為有價值的化學品，提高了系統的整體效率和生產率。
在本研究中，作者運用了多種高端表征技術來深入理解材料的結構和性能：
透射電鏡 (TEM): 通過TEM和高分辨率TEM (HR-TEM) 技術，研究人員能夠觀察到TiNS (鈦酸鹽納米片) 的晶體結構和Ru納米顆粒在TiNS表面的均勻分布。TEM圖像和SAED (選區電子衍射) 圖案證實了TiNS的高結晶性，并且通過AFM (原子力顯微鏡) 進一步測量了TiNS的厚度和橫向尺寸。
X射線吸收精細結構 (XAFS): 利用X射線吸收近邊結構 (XANES) 和擴展X射線吸收精細結構 (EXAFS) 技術，研究人員分析了Ru@TiNS, Ru@TiO2-NP, Ru@rGO以及參考Ru化合物的電子結構和局域幾何結構。這些分析揭示了Ru納米顆粒與TiNS之間的強相互作用，以及Ru-Ti鍵的形成。
原位測試: 通過原位衰減全反射傅里葉變換紅外光譜 (ATR-FTIR) 實驗，研究人員獲得了N–O鍵在Ru@TiNS上形成的確鑿證據，進一步確認了氨的產生源自硝酸根離子。此外，原位紅外光譜還用于監測電催化反應過程中的中間產物和最終產物。
密度泛函理論 (DFT) 計算: 研究中使用了DFT計算來模擬TiO2 (110) 表面的電子結構和催化反應路徑。通過DFT計算，研究人員能夠預測不同反應條件下的催化活性和穩定性，從而為實驗設計提供了理論指導。
文獻信息
標題：Bias-free solar NH3 production by perovskite-based photocathode coupled to valorization of glycerol
期刊：Nature Catalysis
DOI：10.1038/s41929-024-01133-4
原創文章，作者：計算搬磚工程師，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/05/07/f9e1f7d76a/
