铁酸铋作为电化学还原硝酸盐的电催化剂

文献题目：Bismuth Ferrite as an Electrocatalyst for the Electrochemical Nitrate

Reduction

文献期刊：Nano Letters

 IF 12.262

Pub Date : 2022-07-01

DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c02026

文献导读：

1）在碱性电解质中，该催化剂在-0.6 V(相对于RHE)下实现了96.85%的FE和90.45 mg h-1 mgcat-1的NH3产率。耐久性试验表明，催化剂在长期电还原后仍保持高活性。

2）STEM揭示，在施加偏压后，结晶BiFeO3转变成非晶相。EELS和XPS结果表明Bi和Fe的平均价态均被还原。

这项研究不仅报道了一种优秀的NO3RR电催化剂，而且揭示了BiFeO3在硝酸盐电还原过程中的真实形貌和化学状态，为今后电催化剂的合理设计和机理研究奠定了基础

SEM证明所得BiFeO3以薄片形式存在，尺寸主要在100~200 nm之间，厚度约为20 nm。基于能量色散 X 射线光谱 (EDS) 映射观察到 Bi、Fe 和 O 的均匀分布。BiFeO3 的原子分辨率 HAADFSTEM 图像显示晶面间距为 3.91 Å，对应于 (012) 晶面间距。图 1d 显示了可以索引到 BiFeO3 的 (012)、(322) 和 (330) 平面的衍射点，说明颗粒是单晶的。

图 2a 显示了 KOH 溶液（黑色）和含 NO3− 的 KOH 溶液（红色）中 BiFeO3 的线性扫描伏安图。观察到 BiFeO3 在含 NO3− 的 KOH 溶液中的电流密度大于 KOH 溶液中的电流密度，表明 BiFeO3 是一种很有前途的 NO3RR 催化剂。为了获得 BiFeO3 的 NO3RR 性能，在相对于 RHE 的 -0.4 和 -0.8 V 之间的电位下进行了硝酸盐还原试验。如图 2b 所示，NH3 产率在更负的电位下逐渐增加。在 −0.8 V 时达到最大 NH3 产量，值为 132.3 mg h−1 mgcat−1。BiFeO3 在 -0.6 V 时获得 96.85% 的最高 FE，NH3 产率为 90.45 mg h−1 mgcat -1。由于析氢反应的竞争，施加更多负电位会导致 FE 降低。

测试后 BiFeO3 样品的图像

在 NO3RR 之后，结晶 BiFeO3 薄片变为不规则形状的结构。元素映射表明存在 Bi、Fe 和 O，但 Bi 和 Fe 分布不均匀。结晶 BiFeO3 薄片在电化学 NO3RR 后已经转变为非晶相。所选区域的放大图清楚地表明原子排列失去了长程有序，明亮的 Bi 单原子锚定在非晶基体上（图 3d）。图 3c（右下）中相应的 FFT 模式显示了一个光环，证实了反应后的 BiFeO3 的无定形性质。

获得的 STEM 图像表明，在 -0.6 V 下进行 5 分钟的 NO3RR 测试后，大的 BiFeO3 薄片会转化为不同尺寸的小颗粒，范围从 3 到 15 nm。HAADF-STEM 图像显示了结晶相和非晶相的共存。EDS 元素映射图像揭示了 Bi 和 Fe 的不均匀分布，对比度较高的区域是 Bi。这些结果表明，原始样品的形态和元素分布在 5 分钟 NO3RR 后发生显着变化，部分催化剂变得无定形。

研究了较长电还原时间后 BiFeO3 的形貌。放大倍数相对较低的 STEM 图像显示，BiFeO3 催化剂在经过 2 小时的 NO3RR 测试后，呈现出与图 3 所示的 20 分钟测试后观察到的形态相似的形态，这意味着催化剂大部分保留在非晶相。STEM 图像清楚地显示了原子排列不规则，证实催化剂保持无定形结构。元素映射图像表明 Bi 和 Fe 分布不均匀，这与 20 分钟测试后观察到的结果非常一致。

总之，BiFeO3 是一种在环境条件下将硝酸盐电化学转化为 NH3 的有吸引力的催化剂。在碱性电解质中，该催化剂在 -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。耐久性测试表明，该催化剂在长期电还原后仍保持高活性。

STEM 表明，在施加偏置电位后，结晶 BiFeO3 转变为非晶相。EELS 和 XPS 结果表明 Bi 和 Fe 的平均价态都降低了。我们的研究不仅报道了一种出色的 NO3RR 电催化剂，而且揭示了硝酸盐电还原过程中 BiFeO3 的真实形貌和化学状态，为未来电催化剂的合理设计和机理研究铺平了道路。

转自：“科研一席话”微信公众号

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