Creating Frustrated Lewis Pairs in Defective Boron Carbon Nitride for Electrocatalytic Nitrogen Reduction to Ammonia

沮丧的刘易斯对 路易斯酸 催化作用 化学 密度泛函理论 产量(工程) 氮化硼 碳纤维 无机化学 金属 氮气 光化学 材料科学 计算化学 有机化学 复合数 冶金 复合材料
作者
Wenwen Lin,Hao Chen,Gaobo Lin,Siyu Yao,Zihao Zhang,Jizhen Qi,Meizan Jing,Weiyu Song,Jing Li,Xi Liu,Jie Fu,Sheng Dai
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:61 (36) 被引量:139
标识
DOI:10.1002/anie.202207807
摘要

The electrocatalytic nitrogen reduction reaction (NRR) on metal-free catalysts is an attractive alternative to the industrial Haber-Bosch process. However, the state-of-the-art metal-free electrocatalysts still suffer from low Faraday efficiencies and low ammonia yields. Herein, we present a molecular design strategy to develop a defective boron carbon nitride (BCN) catalyst with the abundant unsaturated B and N atoms as Lewis acid and base sites, which upgrades the catalyst from a single "Lewis acid catalysis" to "frustrated Lewis pairs (FLPs) catalysis." 14 N2 /15 N2 exchange experiments and density functional theory (DFT) calculations reveal that FLPs can adsorb an N2 molecule to form a six-membered ring intermediate, which enables the cleavage of N2 via a pull-pull effect, thereby significantly reducing the energy barrier to -0.28 eV. Impressively, BCN achieves a high Faraday efficiency of 18.9 %, an ammonia yield of 20.9 μg h-1 mg-1cat. , and long-term durability.
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