The grand challenge facing in the photoelectrocatalytic reduction of NO3- is the poor selectivity towards N2 production (N2 selectivity). Herein, based on the typical catalysis principles, we propose a solution to solve this issue by constructing single-atomic catalyst (SAC). Firstly, controllable synthetic methods are designed to prepare single Pd atom-loaded porous Cu photocathode materials using atomic layer deposition, hydrothermal or photo-/electro/chemical deposition methods. Then an extension photocathode material, Pd/Cu bimetal SAC-alloy, will be fabricated. The as-prepared cathodes will be assembled in a photoelectrochemical reactor with the Ag/Au modified TiO2 (or ZnO) nanoarrays as photoanodes. The N2 selectivity will be thoroughly investigated. The thermodynamical favorability of N2 selectivity of the SAC reduction of NO3- will be investigated using in-situ FTIR and X-ray adsorption techniques. The kinetics of the SAC reduction of NO3- will be measured using temperature programmed desorption method to explore the affinity of NO3-, NOx and NHx on the surface of SAC. Together with the density functional theory computational analysis, the mechanism of SAC-enhanced N2 selectivity of photoelectrocatalytic NO3- reduction will be proposed. In addition, the SAC system is of more advantageous atom utilization efficiency, stability and cost over nanocatalysts. The study will possibly open a door to developing a practical approach to solve the N2 selectivity of photoelectrocatalytic NO3- reduction.
光电催化还原NO3-反应过程的N2选择性差是亟待解决的科学问题。本项目基于经典催化反应理论,提出通过构建单原子催化材料提高NO3-还原反应的N2选择性。首先采用原子层沉积、水热、光电化学沉积等方法,可控合成单原子Pd负载的多孔Cu电极材料,并进一步拓展至双原子Pd/Cu合金负载的多孔TiO2电极材料,然后分别与Ag/Au修饰TiO2(或ZnO)纳米阵列电极材料组成光电化学反应器,探索控制光电反应过程中N2选择性的影响因素。采用原位红外、X射线吸收技术探讨单原子催化剂活化NO3-的热力学过程;采用程序升温吸脱附法研究单原子催化剂对反应物、中间产物及彻底还原产物NH4+的吸附动力学过程;结合密度泛函理论模拟,揭示单原子催化材料提高N2选择性的作用机理。由于单原子催化材料还具有高催化活性、优异稳定性及低成本的特点,本研究将为开发具有一定应用前景的光电催化还原NO3-技术提供理论依据。
随着农药化肥的大量使用,地表及地下水中的硝酸盐浓度不断升高,所造成的生态危害得到越来越高的关注。本项目主要研究目标是开发具有高效催化还原硝态氮,且具有高氮气选择性的光电催化材料,用以去除水体中的过量硝态氮。本项目基于界面调控技术,构建了具有单-双-多点缺陷态结构的催化材料,形成了催化材料及表面缺陷态的可控合成方法。以缺陷态催化材料为基础,本项目基于光电沉积等方法,在催化表面负载金属及金属合金纳米催化材料,系统探究了催化材料光电催化脱氮的热力学及动力学过程,揭示了脱氮反应机理,并开发了具有较高能量利用效率的电催化反应器。本项目同时开展了拓展型研究,探究了缺陷态催化材料高效协同吸附-催化降解水体中的新污染物,以及光电催化产氢性能及机理。基于上述成果,项目负责人团队共发表高水平论文14篇,授权发明专利2项,申请发明专利5项。相关研究深化了界面催化水处理技术的理论体系,对于高效催化降解含氮类污染物提供重要的理论依据和技术支撑。
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数据更新时间:2023-05-31
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