Hydrogen Radical-Induced Electrocatalytic N2 Reduction at a Low Potential

化学 电催化剂 催化作用 选择性 氢化物 光化学 激进的 分子 组合化学 石墨烯 氧化还原 无机化学 电极 纳米技术 电化学 有机化学 物理化学 材料科学
作者
Xueting Feng,Jiyuan Liu,Long Chen,Ya Kong,Zedong Zhang,Zixuan Zhang,Dingsheng Wang,Wen Liu,Shuzhou Li,Lianming Tong,Jin Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (18): 10259-10267 被引量:133
标识
DOI:10.1021/jacs.3c01319
摘要

Realizing efficient hydrogenation of N2 molecules in the electrocatalytic nitrogen reduction reaction (NRR) is crucial in achieving high activity at a low potential because it theoretically requires a higher equilibrium potential than other steps. Analogous to metal hydride complexes for N2 reduction, achieving this step by chemical hydrogenation can weaken the potential dependence of the initial hydrogenation process. However, this strategy is rarely reported in the electrocatalytic NRR, and the catalytic mechanism remains ambiguous and lacks experimental evidence. Here, we show a highly efficient electrocatalyst (ruthenium single atoms anchored on graphdiyne/graphene sandwich structures) with a hydrogen radical-transferring mechanism, in which graphdiyne (GDY) generates hydrogen radicals (H), which can effectively activate N2 to generate NNH radicals (NNH). A dual-active site is constructed to suppress competing hydrogen evolution, where hydrogen preferentially adsorbs on GDY and Ru single atoms serve as the adsorption site of NNH to promote further hydrogenation of NH3 synthesis. As a result, high activity and selectivity are obtained simultaneously at -0.1 V versus a reversible hydrogen electrode. Our findings illustrate a novel hydrogen transfer mechanism that can greatly reduce the potential and maintain the high activity and selectivity in NRR and provide powerful guidelines for the design concept of electrocatalysts.
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