Selective Electrocatalytic Oxidation of Nitrogen to Nitric Acid Using Manganese Phthalocyanine

硝酸 电催化剂 催化作用 酞菁 材料科学 无机化学 氧化还原 光化学 电化学 化学 电极 有机化学 纳米技术 物理化学 冶金
作者
Ashadul Adalder,Sourav Paul,Biswajit Ghorai,Samadhan Kapse,Ranjit Thapa,N. Abharana,Uttam Kumar Ghorai
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (29): 34642-34650 被引量:18
标识
DOI:10.1021/acsami.3c01847
摘要

Ammonia is produced through the energy-intensive Haber-Bosch process, which undergoes catalytic oxidation for the production of commercial nitric acid by the senescent Ostwald process. The two energy-intensive industrial processes demand for process sustainability. Hence, single-step electrocatalysis offers a promising approach toward a more environmentally friendly solution. Herein, we report a 10-electron pathway associated one-step electrochemical dinitrogen oxidation reaction (N2OR) to nitric acid by manganese phthalocyanine (MnPc) hollow nano-structures under ambient conditions. The catalyst delivers a nitric acid yield of 513.2 μmol h-1 gcat-1 with 33.9% Faradaic efficiency @ 2.1 V versus reversible hydrogen electrode. The excellent N2OR performances are achieved due to the specific-selectivity, presence of greater number of exposed active sites, recyclability, and long period stability. The extended X-ray absorption fine structure confirms that Mn atoms are coordinated to the pyrrolic and pyridinic nitrogen via Mn-N4 coordination. Density functional theory-based theoretical calculations confirm that the Mn-N4 site of MnPc is the main active center for N2OR, which suppresses the oxygen evolution reaction. This work provides a new arena about the successful example of one step nitric acid production utilizing a Mn-N4 active site-based metal phthalocyanine electrocatalyst by dinitrogen oxidation for the development of a carbon-neutral sustainable society.
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