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Engineering the Metal‐Support Interaction and Oxygen Vacancies on Ru@P‐Fe/Fe3O4 Nanorods for Synergetic Enhanced Electrocatalytic Nitrate‐to‐Ammonia Conversion

纳米棒 纳米团簇 催化作用 可逆氢电极 材料科学 无机化学 法拉第效率 选择性 电催化剂 化学 纳米技术 电化学 物理化学 电极 参比电极 有机化学 生物化学
作者
Jinhui Su,Ke Shi,Baocang Liu,Zichao Xi,Junchao Yu,Xuan Xu,Jing Peng,Rui Gao,Jun Zhang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:34 (36) 被引量:9
标识
DOI:10.1002/adfm.202401194
摘要

Abstract Ruthenium (Ru) loaded catalysts show high activity and selectivity for ammonia (NH 3 ) synthesis via electrochemical reduction of nitrate (NO 3 − ), but their practical application is still restricted by their high cost and insufficient stability. Herein, a multi‐component electrocatalyst of Ru nanoclusters loaded on phosphorus‐doped/phosphate‐modified and oxygen vacancy (O V )‐rich Fe/Fe 3 O 4 composite nanorods (Ru@P‐Fe/Fe 3 O 4 ) to synergistically promote electrocatalytic NO 3 − reduction reaction (NO 3 − RR)‐to‐NH 3 performance via strong metal‐support interaction (SMSI) is reported. Impressively, the best Ru@P‐Fe/Fe 3 O 4 catalyst exhibits outstanding NO 3 − RR activity, selectivity, and durability in 0.1 M KNO 3 + 0.5 M KOH solution, with an NH 3 yield rate of 14.37 ± 0.21 mg NH3 h −1 cm −2 (1710.71 ± 25 mg NH3 h −1 mg Ru −1 ) at −0.75 V versus reversible hydrogen electrode (vs. RHE), an NH 3 Faradaic efficiency (FE) of 97.2% at −0.55 V vs. RHE, and a superior stability over 50 h, suppressing most of reported Fe‐based and Ru‐based electrocatalysts. The characterizations and theoretical calculations unveil that the SMSI between Ru nanoclusters and P‐Fe/Fe 3 O 4 composite nanorods can promote the generation of O V , tune the electronic structure of Ru species, and stabilize Ru nanoclusters, thereby reducing the reaction energy barrier of NO 3 − RR‐to‐NH 3 , inhibiting the competitive hydrogen evolution reaction, and boosting the NH 3 yield rate NH 3 FE, and stability.
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