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Modulating Nitrogen Adsorption Mode and Microenvironment of Active Sites for Boosting Electrochemical Nitrogen Reduction

电催化剂 法拉第效率 电化学 纳米团簇 化学吸附 可逆氢电极 活动站点 吸附 材料科学 化学工程 氮气 纳米技术 化学 无机化学 电极 催化作用 物理化学 工作电极 有机化学 工程类
作者
Zihao Yang,Cong Fang,Xiuling Guo,Xiaoyan Sun,Yong Yang
出处
期刊:Small [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smll.202408111
摘要

Abstract Electrochemical reduction of N 2 (NRR) offers a sustainable approach for ammonia (NH 3 ) synthesis, serving as a complementary to the traditional emission‐ and energy‐intensive Haber–Bosch process. However, it faces challenges in N 2 activation and competing with pronounced hydrogen evolution reaction (HER). Herein an efficient electrocatalyst comprised of ultrafine Ru nanoclusters (NCs) confined by a hydrophobic molecular layer is developed on the surface of 2D Ti 3 C 2 T x for NRR. These experimental and theoretical calculation results demonstrate that 1) ultrafine Ru NCs dispersed on the Ti 3 C 2 T x surface form paired active sites for N 2 chemisorption in a unique tilted configuration with low‐energy activation 2) the hydrophobic molecular layer modulates the local microenvironment surrounding catalytically active sites, enabling efficient N 2 accumulation while repelling H 2 O diffusion to the active sites on the Ti 3 C 2 T x surface, thereby leading to an increased N 2 concentration and suppressed HER. As a result, an exceptionally high NH 3 yield rate of 33.5 µg h −1 mg −1 cat and Faradaic efficiency of 65.3% are obtained at −0.25 V versus reversible hydrogen electrode (RHE) in 0.1 m Na 2 SO 4 , outperforming those previously reported Ti 3 C 2 T x ‐derived electrocatalysts. This work provides a valuable strategy for the rational design of advanced electrocatalysts by manipulating active sites and local microenvironments for efficient electrocatalysis.
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