O-Induced Diatomic Fe–Mo Mimetic Enzyme for Efficient Electrocatalytic Nitrogen Reduction at Universal pH

化学 反键分子轨道 双原子分子 电子转移 催化作用 产量(工程) 原子轨道 光化学 电子 有机化学 分子 热力学 物理 量子力学
作者
Yuanyuan Yu,Qingtong Zhang,Simin Wei,Guangfu Qian,Qian He,Wenyan Yin,Douyong Min,Shuangfei Wang,Yuliang Zhao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (31): 28024-28034 被引量:15
标识
DOI:10.1021/jacs.5c07762
摘要

Electrochemical nitrogen reduction reaction (ENRR) provides a sustainable route for the NH3 synthesis. However, designing catalysts that facilitate efficient electron/proton transfer and the hydrogenation of multiple intermediates remains a challenge. In this study, inspired by the natural nitrogenase proteins, a biomimetic Fe–Mo diatomic catalyst (FeMo-CDW(CT-3h)) was designed for efficient ENRR. The microenvironment of Fe–Mo diatomic sites was precisely tuned using the O-induced atomic confinement effect, where O atoms modulate the activity of the sites. FeMo-CDW(CT-3h) with four O atoms achieves a record-breaking NH3 yield at universal pH as well as high stability (250 h and 10 cycles) due to its optimal electron transfer efficiency. In particular, the NH3 yield of 336.03 μg h–1 cm–2 in 0.1 M HCl was over three times higher than the previously reported maximum. Theoretical calculations reveal that the hybridization of Fe–Mo d orbitals with N2* antibonding orbitals enhances electron transfer, extends and weakens the N≡N bond, and accelerates proton transfer and hydrogenation, thereby increasing NH* antibonding orbitals enhances electron transfer, extends and weakens the N≡N bond, and accelerates proton transfer and hydrogenation, thereby increasing NH3 generation.
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