Nano Lett.铁酸铋作为电化学硝酸盐还原的电催化剂

文献信息

文献来源：Nano Lett.

影响因子：12.262

通讯作者：邵敏华、谷猛

发表日期：2022.07.01

机构：香港科技大学、南方科技大学

DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c02026

主要研究成果

01

通过简单的溶胶-凝胶法合成一种具有扭曲钙钛矿型结构的铁酸铋BiFeO3破片。SEM显示得到的BiFeO3以片状形式存在，尺寸主要在100到200 nm之间，厚度约为20 nm(图1a)。EDS映射观察到Bi、Fe和O的均匀分布(图1b)。BiFeO3的原子分辨率HAADF-STEM图像显示面间距为3.91Å，对应于(012)面间距(图1c)。如图1d所示，高分辨率HAADF-STEM图像的相应快速傅里叶变换(FFT)模式显示了可以观察到BiFeO3的(012)、(3̅22̅)和(3̅30)平面的衍射点，说明颗粒是单晶的。

02

采用H电解池对BiFeO3的电催化性能进行评估。图 2a 显示了BiFeO3在KOH溶液和含NO3-的KOH溶液(红色)中的线性扫描伏安图。在含NO3-的KOH溶液溶液中观察到 BiFeO3的电流密度大于KOH溶液中的电流密度，这表明BiFeO3是一种很有前途NO3RR 催化剂。如图2b所示，NH3产率在更多负电位下逐渐增加。最大NH3产率在-0.8 V时达到132.3 mg h-1 mgcat-1。BiFeO3上的电化学NO3RR通常在-0.4至-0.8 V的电位范围内显示出高 FE(>80%)。

03

通过高分辨率 STEM研究在NO3RR测试后BiFeO3的形态和晶体性质是否发生变化。图3显示了在-0.6V(vs RHE)下进行20分钟NO3RR测试后BiFeO3的HAADF-STEM图像。获得的图像显示，在NO3RR之后，结晶BiFeO3薄片变为不规则形状的结构(图3a)。测试的BiFeO3的元素映射表明存在Bi、Fe和O，但Bi和Fe分布不均匀(图3b)。如图3c所示，在BiFeO3的高倍率HAADF-STEM 图像中未观察到晶格条纹，这表明在电化学NO3RR后，结晶BiFeO3薄片已转变为非晶相。选定区域的放大图清楚地表明，原子的排列失去了其长程有序性，明亮的 Bi 单原子锚定在无定形基质上(图3d)。图3c(右下)中相应的FFT模式显示了一个光环，证实了用过的BiFeO3的无定形性质。

为了进一步了解形貌和价态的转变，通过STEM表征催化剂在硝酸盐还原不同阶段的变化。获得的STEM图像表明，在-0.6 V下进行5分钟的NO3RR测试后，大BiFeO3薄片转化为不同尺寸的小颗粒，范围从3到15 nm(图4a)。高分辨率HAADF-STEM图像显示了晶相和非晶相的共存(图4b)。晶面间距为0.33 nm，对应于给Bi2O3的(1̅12)平面。EDS元素映射图像显示Bi和Fe的分布不均匀，对比度较高的区域是Bi(图4c)。这些结果表明，经过5分钟的NO3RR，原始样品的形态和元素分布发生了显著变化，部分催化剂变为无定形。

同时研究了较长电还原时间后BiFeO3的形态。较低放大倍率的STEM图像显示，BiFeO3催化剂在经历2小时NO3RR测试后，呈现出与20分钟测试后观察到的形态相似的形态，如图5所示，这意味着催化剂大部分保留在非晶相(图5a)。高分辨率STEM图像显示了原子的不规则排列，证实催化剂保持无定形结构(图5b)。元素映射图像表明Bi和Fe的分布不均匀，这与20分钟测试后观察到的结果非常一致(图5c)。

结论

1、本文制备BiFeO3催化剂，在-0.6 V vs. RHE 下实现了96.85%的FE和90.45 mg h-1 mgcat-1的NH3产率。

2、STEM显示，在施加电压后，结晶BiFeO3变成了非晶相。EELS和XPS结果表明Bi和Fe的平均价态降低。

转自：科研一席话

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