Boosting Nitrogen Reduction to Ammonia on FeN 4 Sites by Atomic Spin Regulation

原子轨道 自旋态 自旋(空气动力学) 法拉第效率 过渡金属 化学 催化作用 无机化学 原子物理学 电子 物理 电化学 物理化学 量子力学 热力学 生物化学 电极 有机化学
作者
Yajin Wang,Wenzheng Cheng,Pengfei Yuan,Gege Yang,Shichun Mu,Jialin Liang,Huicong Xia,Kai Guo,Mengli Liu,Shuyan Zhao,Gan Qu,Bang‐An Lu,Yongfeng Hu,Jin‐Song Hu,Jianan Zhang
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:8 (20) 被引量:84
标识
DOI:10.1002/advs.202102915
摘要

Understanding the relationship between the electronic state of active sites and N2 reduction reaction (NRR) performance is essential to explore efficient electrocatalysts. Herein, atomically dispersed Fe and Mo sites are designed and achieved in the form of well-defined FeN4 and MoN4 coordination in polyphthalocyanine (PPc) organic framework to investigate the influence of the spin state of FeN4 on NRR behavior. The neighboring MoN4 can regulate the spin state of Fe center in FeN4 from high-spin (dxy2 dyz1 dxz1dz21dx2-y21 ) to medium-spin (dxy2 dyz2 dxz1dz21 ), where the empty d orbitals and separate d electron favor the overlap of Fe 3d with the N 2p orbitals, more effectively activating N≡N triple bond. Theoretical modeling suggests that the NRR preferably takes place on FeN4 instead of MoN4 , and the transition of Fe spin state significantly lowers the energy barrier of the potential determining step, which is conducive to the first hydrogenation of N2 . As a result, FeMoPPc with medium-spin FeN4 exhibits 2.0 and 9.0 times higher Faradaic efficiency and 2.0 and 17.2 times higher NH3 yields for NRR than FePPc with high-spin FeN4 and MoPPc with MoN4 , respectively. These new insights may open up opportunities for exploiting efficient NRR electrocatalysts by atomically regulating the spin state of metal centers.
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