Efficient electrochemical reduction of nitrate to ammonia using conductive diamond film electrodes

化学 电催化剂 电化学 无机化学 催化作用 密度泛函理论 硝酸盐 石墨烯 吸附 配体(生物化学) 电极 物理化学 计算化学 纳米技术 有机化学 受体 生物化学 材料科学
作者
Reshef Tenne,K. Patel,Kazuhito Hashimoto,Akira Fujishima
出处
期刊:Journal of Electroanalytical Chemistry [Elsevier]
卷期号:347 (1-2): 409-415 被引量:163
标识
DOI:10.1016/0022-0728(93)80105-q
摘要

Single Fe atom coordinated with four planar nitrogen atoms codoped graphene layer (Fe-N4-C) has emerged as one of the promising single atom electrocatalyst (eSAC) for the remediation of nitrate (NO3-). Herein, based on density functional theory (DFT) calculations, it is found that the ligands X (X = O, OH, F, Cl, Br, and I) axially ligated to the Fe center of Fe-N4-C can significantly improve its catalytic activity toward electrocatalytic nitrate reduction (eNO3RR) to ammonia (NH3) with limiting potentials (UL) of 0, −0.36, −0.28, −0.41, −0.25, and − 0.19 eV, respectively. The remarkable catalytic activity should be associated with the well-matched orbitals of the Fe3dxz/Fe3dyz and NOπ∗, together with moderate NO∗ adsorption free energy (ΔGNO∗). Although eNO3RR on O-Fe-N4 is highly energy favorable, extremely low ΔGNO∗ (-0.02 eV) may lead to inferior selectivity toward NH3 product. These findings highlight the role of axial ligand for the eNO3RR properties of Fe-N4-C.
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