Lanthanum-Doped Graphene for Electrocatalytic Reduction of Nitrogen Monoxide

电催化剂 催化作用 化学 石墨烯 无机化学 电子转移 质子化 氮气 光化学 吸附 电极 材料科学 纳米技术 电化学 离子 物理化学 有机化学
作者
Yu Yan,Zaheer Masood,Bin Wang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:127 (27): 12967-12975 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.3c01366
摘要

Electrocatalytic conversion of nitrogen oxides is a promising approach to address nitrogen pollution in underground water. Nitrogen oxides, such as nitrate and nitrite, can be reduced to N2 and NH3 over an electrocatalyst, with NO as the key intermediate, subsequent reaction of which controls the overall activity and selectivity. Here, we report density functional theory calculations of NO electrocatalytic reduction (NOER) over lanthanum embedded in graphene, through which we show that the localized states in La drive the reaction favorably due to more pronounced molecular adsorption and charge transfer than transition metals such as Co. The free energy profiles are compared between the La-based single-atom catalyst (SAC) and Co-based SAC, for producing N2 and NH3. We find that the La-SAC intensifies the electron transfer to the adsorbed NO, promoting the first protonation step of NO, which is the potential-limiting step on the Co-SAC. Also, an intriguing effect of the water solvent is revealed on the La-SAC. In addition to stabilizing the intermediate species, water molecules that are coordinated with La participate directly in the protonation steps, enhancing the catalyst activity. This study reveals the unique mechanism of NOER over rare-earth-based catalysts, highlighting the potential application of atomically dispersed f-block elements for electrocatalytic reactions.

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