The Electrocatalytic Role of Oxygen Vacancy in Nitrate Reduction Reactions

催化作用 氨生产 材料科学 硝酸盐 无机化学 吸附 空位缺陷 氧化物 氧化还原 选择性催化还原 化学工程 化学 物理化学 冶金 有机化学 结晶学 工程类
作者
Hongkun Li,Ninggui Ma,Yunchen Long,Xinxue Tang,Weihui Ou,Fucong Lyu,Jiahua Liu,Binbin Zhou,Jun Fan,Jian Lü,Yang Yang Li
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (35): 46312-46322 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsami.4c09119
摘要

Ammonia, with high energy density and easy transportation, holds significant potential to become an integral part of future energy systems. Among tremendous strategies, electrocatalytic ammonia production is no doubt an efficient and eco-friendly method. One particularly intriguing class of electrocatalysts for reducing nitrate to ammonia is transition metal oxides, which have been heavily researched. However, how these catalysts' oxygen vacancy (VO) affects their performance remains elusive. To address this, taking titania (the most important catalyst) as an example, we carried out experimental investigations and simulations. Contrary to the prevailing belief that the concentrated VO would increase the catalytic efficiency of nitrate reduction, it was found that a relatively low level of VO is favorable for maximizing catalytic efficiency. At low cathodic voltages, titania with minimal VO delivered both the highest reduction efficiency and the best selectivity among the different titania samples in this paper. In addition to outlining the merits of lower electron transfer resistance and accelerated reaction dynamics, we also put forth a previously unmentioned factor, the adsorption of hydrogen or the creation of an ordered hydrogen bond network, which put up a hydrogen-rich atmosphere for following nitrate reduction. Further simulation study revealed that within the hydrogen-rich atmosphere isolated VO serves as the ideal active center to enable the lowest energy barriers for the reduction of nitrate into ammonia. These findings offer fresh insights into the working mechanism of oxide-based electrocatalysts for ammonia production.
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