Unraveling the Performance Descriptors for Designing Single‐Atom Catalysts on Defective MXenes for Exclusive Nitrate‐To‐Ammonia Electrocatalytic Upcycling

MXenes公司 催化作用 贵金属 硝酸盐 氨生产 过渡金属 金属 材料科学 密度泛函理论 无机化学 化学 纳米技术 计算化学 有机化学 冶金
作者
Xutao Gao,Edmund C. M. Tse
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:20 (11) 被引量:5
标识
DOI:10.1002/smll.202306311
摘要

Abstract Electrocatalytic nitrate reduction reaction (NO 3 RR) is a promising approach for converting nitrate into environmentally benign or even value‐added products such as ammonia (NH 3 ) using renewable electricity. However, the poor understanding of the catalytic mechanism on metal‐based surface catalysts hinders the development of high‐performance NO 3 RR catalysts. In this study, the NO 3 RR mechanism of single‐atom catalysts (SACs) is systematically explored by constructing single transition metal atoms supported on MXene with oxygen vacancies (O v ‐MXene) using density functional theory (DFT) calculations. The results indicate that Ag/O v ‐MXene (for precious metal) and Cu/O v ‐MXene (for non‐precious metal) are highly efficient SACs for NO 3 RR toward NH 3 , with low limiting potentials of −0.24 and −0.34 V, respectively. Furthermore, these catalysts show excellent selectivity toward ammonia due to the high energy barriers associated to the formation of byproducts such as NO 2 , NO, N 2 O, and N 2 on Ag/O v ‐MXene and Cu/O v ‐MXene, effectively suppressing the competitive hydrogen evolution reaction (HER). The findings not only offer new strategies for promoting NH 3 production by MXene‐based SACs electrocatalysts under ambient conditions but also provide insights for the development of next‐generation NO 3 RR electrocatalysts.
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