在大氣環(huán)境下電化學(xué)還原N2以合成NH3，已成為一種有前景的的碳中和策略，但極其需要高效率的電催化劑以活化N2。在這里，利用還原氧化石墨烯負載富含缺陷的ZnS納米顆粒（DR ZnS-rGO），作為高效電催化劑用于N2-NH3轉(zhuǎn)化，表現(xiàn)出極好的選擇性。在0.1 M HCl溶液中，這種DR ZnS-rGO實現(xiàn)高的合成NH3產(chǎn)率，（51.2μgh
-1 mg
cat.-1，-0.15 V），和高的法拉第效率達28.2％（-0.10 V vs. RHE），以及高的電化學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同位素標記實驗表明，合成氨的氮源是來自于N2。密度泛函理論計算表明，ZnS-rGO DR中的S空位不僅提供了反應(yīng)位點，還促進了N2分子的活化，進而實現(xiàn)N2-NH3轉(zhuǎn)化。
Figure 1.（a）DR ZnS-rGO的XRD圖譜。（b）DR ZnS-rGO的SEM，（c）TEM和（d）HRTEM圖像。（e）DF ZnS NP-rGO和DR ZnS NP-rGO的PALS。擬合結(jié)果在表S1中列出。（f）DR ZnS-rGO的室溫EPR光譜。DR ZnS-rGO中（g）C，（h）Zn和（i）S元素的EDX元素映射光譜。
Figure 2. （a）DR ZnS-rGO中（b）C 1s，（c）Zn 2p和（d）S 2p的XPS光譜。
Figure 3.（a）DR ZnS-rGO/CP分別在Ar和N2飽和的0.1 M HCl中的LSV曲線。（b）不同電位時 的計時電流曲線。（c）不同電位測試后，0.1 M HCl電解質(zhì)的UV-Vis吸收光譜。（d）特定電位下的產(chǎn)率及對應(yīng)FE。
Figure 4. （a）所構(gòu)建ZnS（001）-rGO表面處的S空位示意圖，兩種S空位的時的差分電荷密度圖。（b）ZnS（001）-rGO表面具有S空位時，發(fā)生N2電還原時所計算的自由能。（c）最優(yōu)中間產(chǎn)物示意圖，以及遠端和交替反應(yīng)機制示意圖。
該研究工作由濟南大學(xué)Dan Wu課題組（第一作者為趙金秀博士）于2020年發(fā)表在Applied Catalysis B: Environmental期刊上。原文：Defect-rich ZnS nanoparticles supported on reduced graphene oxide for high-efficiency ambient N2-to-NH3 conversion。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號
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