Insights into the role of cation vacancy for significantly enhanced electrochemical nitrogen reduction

空位缺陷 电化学 氧化还原 材料科学 电催化剂 催化作用 化学 氨生产 纳米技术 光化学 无机化学 化学工程 电极 物理化学 结晶学 有机化学 工程类
作者
Xiaohui Yang,Faling Ling,Jinfeng Su,Xiangrong Zi,Han Zhang,Huijuan Zhang,Jian Li,Miao Zhou,Yu Wang
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier BV]
卷期号:264: 118477-118477 被引量:93
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2019.118477
摘要

Electrochemical nitrogen reduction reaction (NRR) at ambient conditions offers a promising picture for renewable production of ammonia (NH3), but its practical implementation is strictly restricted by lacking efficient catalysts. Defect engineering as an effective strategy has been applied to promote the electrochemical NRR activity. Unfortunately, in contrast to anion vacancy, the study of cation vacancy for insight into the relationship between the activity and structure of NRR electrocatalysts is still very scarce. Herein, we designed a superior cation-vacancy NRR electrocatalyst by fabrication of MoN nanocrystals with abundant Mo vacancies embedded in N-doped hierarchical porous carbon framework for the first time. Compared with the pre-reported anion-vacancy electrocatalysts, it exhibits an impressive improvement for NRR activity (NH3 yield: 76.9 μg h−1 mg−1cat.). We identified Mars-van Krevelen pathway during NRR process by joint 15N2 isotopic tracer experiments with nuclear magnetic resonance spectroscopy. First-principles calculations revealed the critical role of Mo vacancy in regulating the electronic properties of MoN and shifting the rate-limiting step of NRR that significantly reduces the reaction barrier. Our findings of creating cation defects in nitrides to catalyze N2 fixation pave a new avenue for synthesizing realistic and high-efficiency NRR electrocatalysts.
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