Unveiling the Protonation Kinetics‐Dependent Selectivity in Nitrogen Electroreduction: Achieving 75.05 % Selectivity

质子化 选择性 化学 无机化学 动力学 电化学 电解质 催化作用 光化学 物理化学 电极 有机化学 离子 量子力学 物理
作者
Yang Liu,Lingling Wang,Lin Chen,Hongdan Wang,Amol R. Jadhav,Taehun Yang,Yixuan Wang,Jinqiang Zhang,Ashwani Kumar,Jinsun Lee,Viet Q. Bui,Min Gyu Kim,Hyoyoung Lee
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:61 (50) 被引量:22
标识
DOI:10.1002/anie.202209555
摘要

While higher selectivity of nitrogen reduction reaction (NRR) to ammonia (NH3 ) is always achieved in alkali, the selectivity dependence on nitrogen (N2 ) protonation and mechanisms therein are unrevealed. Herein, we profile how the NRR selectivity theoretically relies upon the first protonation that is collectively regulated by proton (H) abundance and adsorption-desorption, along with intermediate-*NNH formation. By incorporating electronic metal modulators (M=Co, Ni, Cu, Zn) in nitrogenase-imitated model-iron polysulfide (FeSx), a series of FeMSx catalysts with tailorable protonation kinetics are obtained. The key intermediates behaviors traced by in situ FT-IR and Raman spectroscopy and operando electrochemical impedance spectroscopy demonstrate the strong protonation kinetics-dependent selectivity that mathematically follows a log-linear Bradley curve. Strikingly, FeCuSx exhibits a record-high selectivity of 75.05 % at -0.1 V (vs. RHE) for NH3 production in 0.1 M KOH electrolyte.
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