Understanding of nitrogen fixation electro catalyzed by molybdenum–iron carbide through the experiment and theory

催化作用 材料科学 双金属片 密度泛函理论 电化学 电解 水溶液 固氮酶 化学工程 循环伏安法 氮气 固氮 电催化剂 电极 物理化学 化学 计算化学 有机化学 工程类 电解质
作者
Binhao Qin,Yuhang Li,Qiao Zhang,Guangxing Yang,Hong Liang,Feng Peng
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:68: 104374-104374 被引量:72
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2019.104374
摘要

The electrochemical method is considered being a sustainable alternative to the industrial Haber-Bosch process (150–350 atm, 350–550 °C) because it can produce ammonia (NH3) from nitrogen (N2) and water (H2O) at room temperature and pressure. However, since the N≡N triple bond in N2 is one of the strongest bonds in nature, it requires a more negative potential for N2 reduction, which often leads to violent hydrogen evolution reaction (HER) in aqueous electrolysis systems. Therefore, it is a great challenge for the electrocatalytic N2 reduction reaction (ENRR) to find catalysts that can reduce the energy barrier of N2 fixation and inhibit the HER. Herein, inspired by the Mo–Fe site in the biological nitrogenase, we found that the catalyst containing Mo3Fe3C active material has excellent N2-fixing catalytic performance and can effectively inhibit the HER. At −0.05 V vs RHE, the Faraday efficiency (FE) of ENRR was as high as 27.0%. In addition, we innovatively used the Fourier-transformed alternating current voltammetry (FTACV) to explore the electron transfer process in ENRR, indicating that Mo3Fe3C is more conducive to reducing N2 at low potential. According to density functional theory (DFT) calculations, compared with Mo2C and Fe3C, Mo3Fe3C is more helpful in promoting N2 activation and hydrogenation. Due to the synergistic effect of the Mo–Fe site, N2 hydrogenation needs to overcome a lower energy barrier in potential-determining step (PDS). Our research extends the knowledge into bimetallic active sites in ENRR and provides a new insight for the subsequent synthesis of high selectivity catalysts.
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