Three-Dimensional Hourglass-Type Polyoxometalate-Based Metal–Organic Frameworks for Electrocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia

化学 等结构 产量(工程) 无机化学 硝酸盐 拉曼光谱 电化学 法拉第效率 金属有机骨架 氮气 氨生产 硝酸锌 吡嗪 类金刚石 傅里叶变换红外光谱 反应中间体 电催化剂
作者
Nan Zhao,Haoyun Li,Shuang Rong,Xinming Wang,Guixin Yang,Xiaojing Yu,Yongbin Song,Huiyuan Ma,Haijun Pang
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.6c03516
摘要

Abstract Electrocatalytic nitrate reduction reaction (e-NO3RR) provides a promising route for ambient NH3 production and nitrate valorization, but synchronizing multielectron transfer with stepwise hydrogenation remains challenging. Herein, two isostructural three-dimensional polyoxometalate-based metal–organic frameworks, [M(H2O)2HNCP]2(H4M2P4Mo6O33)[M0.5(H2O)3]·4H2O (M-P4Mo6-3D, M = Ni, Co), were hydrothermally synthesized from reduced hourglass {P4Mo6} clusters, Ni2+/Co2+ nodes, and HNCP linkers. Single-crystal X-ray diffraction confirms triclinic P1̅ structures with identical frameworks. The metal centers connect discrete {P4Mo6} units into hourglass M{P4Mo6}2 secondary building units that extend into three-dimensional coordination networks. Topological analysis using ToposPro identifies the framework as a uninodal six-connected pcu net with a point symbol of {412,63}. Ni–P4Mo6-3D exhibits superior e-NO3RR performance, achieving 98.6% NH3 Faradaic efficiency and an NH3 yield rate of 14.63 mg h–1 mgcat.–1 at −0.9 VRHE in neutral electrolyte. Electrochemical measurements indicate enhanced intrinsic activity and charge-transfer kinetics. Potential-dependent in situ FTIR and Raman spectroscopy reveal oxygenated and hydrogenated nitrogen intermediates, supporting a stepwise NO3– → *NO3 → *NO2 → *NO → *NOH → *NHOH → *NH2OH → *NH2 → NH3 reduction pathway.
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