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Operando analysis reveals potential-driven in situ formation of single-Fe-atom electrocatalysts for green production of ammonia

电催化剂 催化作用 氨生产 化学 X射线吸收光谱法 离解(化学) 吸收光谱法 氧化还原 电化学 红外光谱学 无机化学 物理化学 电极 生物化学 有机化学 物理 量子力学
作者
Yang Fa,Ping Song,Xin Ge,Y. Wang,Takao Gunji,Wei Zhang,Xiao Zhao,Weilin Xu
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:120 (25) 被引量:6
标识
DOI:10.1073/pnas.2301011120
摘要

As a sustainable approach for N 2 fixation, electrocatalytic N 2 reduction reaction (N 2 RR) to produce ammonia (NH 3 ) is highly desirable with a precise understanding to the structure-activity relationship of electrocatalysts. Here, firstly, we obtain a novel carbon-supported oxygen-coordinated single-Fe-atom catalyst for highly efficient production of ammonia from electrocatalytic N 2 RR. Based on such new type of N 2 RR electrocatalyst, by combining operando X-ray absorption spectra (XAS) with density function theory calculation, we reveal significantly that the as-prepared active coordination structure undergoes a potential-driven two-step restructuring, firstly from Fe SA O 4 (OH) 1a to Fe SA O 4 (OH) 1a′ (OH) 1b with the adsorption of another –OH on Fe SA at open-circuit potential (OCP) of 0.58 V RHE , and subsequently restructuring from Fe SA O 4 (OH) 1a′ (OH) 1b to Fe SA O 3 (OH) 1a″ due to the breaking of one Fe-O bond and the dissociation of one –OH at working potentials for final electrocatalytic process of N 2 RR, thus revealing the first potential-induced in situ formation of the real electrocatalytic active sites to boost the conversion of N 2 to NH 3 . Moreover, the key intermediate of Fe-NNH x was detected experimentally by both operando XAS and in situ attenuated total reflection–surface-enhanced infrared absorption spectra (ATR-SEIRAS), indicating the alternating mechanism followed by N 2 RR on such catalyst. The results indicate the necessity of considering the potential-induced restructuring of the active sites on all kinds of electrocatalysts for such as highly efficient ammonia production from N 2 RR. It also paves a new way for a precise understanding to the structure-activity relationship of a catalyst and helps the design of highly efficient catalysts.
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