Biomimetic Elastic Single‐Atom Protrusions Enhance Ammonia Electrosynthesis

氨生产 法拉第效率 材料科学 电合成 电催化剂 电化学 化学 无机化学 物理化学 电极 有机化学
作者
Yuntong Sun,Yin Huang,Fanglei Yao,Meng Tian,Jin Wang,Wenjun Fan,Junwu Zhu,Jong‐Min Lee
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202418095
摘要

Electrocatalytic nitrogen (N2) reduction reaction (eNRR) is a promising route for sustainable ammonia (NH3) generation, but the eNRR efficiency is dramatically impeded by the sluggish reaction kinetics. Herein, inspired by the dynamic extension‐contraction of sea anemone tentacles in response to environmental changes, we propose a biomimetic elastic Mo single‐atom protrusion on vanadium oxide support (pSA Mo/VOH) electrocatalyst featuring a symmetry‐breaking Mo site and an elastic Mo−O4 pyramid for efficient eNRR. In‐situ spectroscopy and theoretical calculations reveal that the protruding Mo‐induced symmetry‐breaking structure optimizes the d electron filling of Mo, enhancing the back‐donation to the π* antibonding orbital, effectively polarizing the N≡N bond and reducing the barrier from *N2 to *N2H. Notably, the elastic Mo−O4 pyramidal structure of pSA Mo provides a dynamic Mo−O microenvironment during continuous eNRR processes. This optimizes the electronic structure of the Mo sites based on different reaction intermediates, enhancing the adsorption of various N intermediates and maintaining low barriers throughout the six‐step hydrogenation process. Consequently, the elastic pSA Mo/VOH exhibits an excellent NH3 yield rate of 50.71 ± 1.12 μg h−1 mg−1 and a Faradaic efficiency of 35.38 ± 1.03%, outperforming most electrocatalysts.
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