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Trace Ruthenium Anchored on Nickel Phosphide Steers Hydrogen Atom Transfer for Efficient Nitrate-to-Ammonia Electroreduction

化学 无机化学 亚硝酸盐 催化作用 反应速率常数 吉布斯自由能 硝酸盐 光化学 速率决定步骤 吸附 离解(化学) 热化学循环 反应机理 反应中间体 化学动力学 同位素标记 氨生产 分解水 制氢 氢原子 氢化物 转移加氢 反应速率 动力学同位素效应 电催化剂 选择性
作者
Yinghao Xue,Raner Ma,Jia Yan,Hanxue Wang,Wei-Xian Zhang,Jianwei Fan
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:60 (4): 3646-3656 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c12025
摘要

Understanding the mechanisms and manipulations of atomic hydrogen during electrocatalytic hydrogen atom transfer (HAT) is critical for achieving the selective reduction of nitrate to ammonia. However, the molecular action of HAT in the reaction of nitrate-to-ammonia conversion remains poorly understood, particularly given the complexity of 8-electron transfer process and the kinetics of different hydrogen species (e.g., adsorbed H ads and free • H radical). Herein, we develop a trace ruthenium anchored self-supported heterostructure (Ru-Ni 2 P/NF), in which Ni 2 P accelerates water dissociation to generate hydrogen intermediates and Ru optimizes H ads stabilization. Experimental results indicate 97.5% nitrate conversion with 86.4% NH 3 selectivity within 4 h. Furthermore, H-species kinetic analysis and H/D isotopic labeling demonstrate a difference in H ads and • H functionalities; H ads dominates nitrite reduction with a 14.6-fold higher rate constant than • H-mediated pathways. DFT calculations identify Ru-induced symmetry breaking in nitrate (N–O bond elongation: 0.039 Å) as the critical activation step, and a complete deoxygenation–hydrogenation mechanism (*NO 3 – → *N → *NH x intermediates) is validated by in situ FTIR and Gibbs free energy profiles. Notably, the reduction of nitrite by Ru-H ads is thermodynamically favored without additional potential, which is consistent with the high rate of H ads reduction of nitrite to ammonia in the experiment. This study generates valuable insights into HAT-mediated nitrate conversion at a molecular level, providing a blueprint for catalytic systems in environmental remediation and green ammonia synthesis.
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