Immobilization of Iron Phthalocyanine on Pyridine-Functionalized Carbon Nanotubes for Efficient Nitrogen Reduction Reaction

催化作用 酞菁 吡啶 碳纳米管 电子转移 氧化还原 化学吸附 化学 电催化剂 电化学 吸附 无机化学 材料科学 光化学 纳米技术 有机化学 物理化学 电极
作者
Suxian Xu,Yunxuan Ding,Jian Du,Yong Zhu,Guoquan Liu,Zhibing Wen,Xiao Liu,Yongbin Shi,Hua Gao,Licheng Sun,Fei Li
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (9): 5502-5509 被引量:80
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c00188
摘要

An electrochemical nitrogen reduction reaction (NRR) under mild conditions offers a promising alternative to the traditional Haber–Bosch process in converting abundant nitrogen (N2) to high value-added ammonia (NH3). In this work, iron phthalocyanine (FePc) was homogeneously immobilized on pyridine-functionalized carbon nanotubes to form a well-tuned electrocatalyst with an FeN5 active center (FePc-Py-CNT). Synchrotron X-ray absorption and Fourier transform infrared spectroscopy proved the presence of an Fe–N coordination bond between FePc and surface-bound pyridine. The resulting hybrid exhibited notably enhanced electrocatalytic NRR performance compared to FePc immobilized on CNTs based on π–π stacking interactions (FePc-CNT), resulting in doubled NH3 yield (21.7 μg mgcat–1 h–1) and Faradaic efficiency (22.2%). Theoretical calculations revealed that the axial coordination on FePc resulted in partial electron transfer from iron to pyridine, which efficiently suppresses the adsorption of H+ and improves the chemisorption of N2 at Fe sites. Meanwhile, the interfacial electron transfer was facilitated by pyridine as an electron transfer relay between FePc and CNTs. This work provides a unique strategy for the design of highly efficient NRR electrocatalysts at the molecular level.
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