Single‐Atomic Ruthenium Active Sites on Ti3C2 MXene with Oxygen‐Terminated Surface Synchronize Enhanced Activity and Selectivity for Electrocatalytic Nitrogen Reduction to Ammonia

催化作用 化学 法拉第效率 X射线光电子能谱 电化学 选择性 可逆氢电极 氨生产 光化学 无机化学 分析化学(期刊) 物理化学 电极 化学工程 有机化学 工程类 生物化学 色谱法 参比电极
作者
Gang Chen,Mingmei Ding,Kai Zhang,Zhen Shen,Yueting Wang,Jun Ma,Ao Wang,Yiping Li,Hang Xu
出处
期刊:Chemsuschem [Wiley]
卷期号:15 (3) 被引量:24
标识
DOI:10.1002/cssc.202102352
摘要

Downsizing the catalyst to atom scale offers an effective way to maximize the atom utilization efficiency for electrocatalytic nitrogen reduction reaction (NRR). Herein, single-atomic ruthenium (Ru) anchored on a chemically activated Ti3 C2 with O-terminated groups (Ti3 C2 O) was designed to catalyze the NRR process. The catalyst achieved a superior activity and selectivity with ammonia yield rate of 27.56 μg h-1 mg-1 and faradaic efficiency of 23.3 % at a low potential of -0.20 V versus the reversible hydrogen electrode. According to the atomic resolution images from aberration-corrected scanning transmission electron microscopy, Ru sites on Ti3 C2 O achieved good dispersion on atomic scale. X-ray photoelectron spectroscopy analysis further demonstrated that the O-termination groups were successfully activated. Density functional theory calculations combined with experiments revealed that single Ru sites binding to four oxygen were the main reaction centers that permitted the hydrogenation of *NNH2 to *NHNH2 in a novel distal/alternating hybrid path while reducing the energy barrier of the potential-limiting step to 0.78 eV from 0.96 eV in the distal path alone or 1.18 eV in the alternating path alone, thereby significantly promoting the NRR dynamics.
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