Precious-Metal-Free Mo-MXene Catalyst Enabling Facile Ammonia Synthesis Via Dual Sites Bridged by H-Spillover

化学 催化作用 溢出效应 对偶(语法数字) 金属 组合化学 纳米技术 有机化学 文学类 艺术 经济 微观经济学 材料科学
作者
Yanliang Zhou,Lili Liang,Congying Wang,Fuxiang Sun,Lirong Zheng,Haifeng Qi,Bin Wang,Xiuyun Wang,Chak‐Tong Au,Jun-Jie Wang,Lilong Jiang,Hideo Hosono
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (33): 23054-23066 被引量:47
标识
DOI:10.1021/jacs.4c03998
摘要

To date, NH3 synthesis under mild conditions is largely confined to precious Ru catalysts, while nonprecious metal (NPM) catalysts are confronted with the challenge of low catalytic activity due to the inverse relationship between the N2 dissociation barrier and NHx (x = 1-3) desorption energy. Herein, we demonstrate NPM (Co, Ni, and Re)-mediated Mo2CTx MXene (where Tx denotes the OH group) to achieve efficient NH3 synthesis under mild conditions. In particular, the NH3 synthesis rate over Re/Mo2CTx and Ni/Mo2CTx can reach 22.4 and 21.5 mmol g-1 h-1 at 400 °C and 1 MPa, respectively, higher than that of NPM-based catalysts and Cs-Ru/MgO ever reported. Experimental and theoretical studies reveal that Mo4+ over Mo2CTx has a strong ability for N2 activation; thus, the rate-determining step is shifted from conventional N2 dissociation to NH2* formation. NPM is mainly responsible for H2 activation, and the high reactivity of spillover hydrogen and electron transfer from NPM to the N-rich Mo2CTx surface can efficiently facilitate nitrogen hydrogenation and the subsequent desorption of NH3. With the synergistic effect of the dual active sites bridged by H-spillover, the NPM-mediated Mo2CTx catalysts circumvent the major obstacle, making NH3 synthesis under mild conditions efficient.
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