Frustrated Lewis Pairs on Zr Single Atoms Supported N‐Doped TiO2‐x Catalysts for Electrochemical Nitrate Reduction To Ammonia

材料科学 电化学 催化作用 兴奋剂 氨生产 无机化学 还原(数学) 硝酸盐 物理化学 电极 光电子学 有机化学 化学 几何学 数学
作者
Lei Yang,Chaochen Wang,Yufeng Li,Wangxin Ge,Lei Tang,Jianhua Shen,Yihua Zhu,Chunzhong Li
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202401094
摘要

Abstract The electrochemical reduction of nitrates (NO 3 RR) for ammonia synthesis at room temperature holds immense potential. One key challenge is the adsorption and activation of NO 3 − , along with the provision of sufficient active hydrogen to accelerate the hydrogenation process. Here, the study prepares N‐doped TiO 2‐x supported by Zr single atoms (Zr‐TiON) with rich oxygen vacancies (O v ), in which unsaturated Zr (Lewis acidic, LA) sites together with oxygen atoms around O v (Lewis base, LB) form frustrated Lewis acid‐base pairs (FLPs). At −60 mA cm −2 , NH 3 Faradaic efficiency reaches 94.8%, corresponding to the production rate of 663.15 µmol h −1 mg cat −1 . The yield rate is up to 26.16 mmol h −1 mg cat −1 at −1 A cm −2 in flowing electrolyzer. Theoretical calculations and in situ spectroscopy analysis reveal that the interaction between LA and LB sites in FLPs plays a crucial role in facilitating adsorption and activation of electron‐rich NO 3 − and electron‐deficient * H. The presence of enhanced FLPs significantly reduces the energy barrier for H 2 O dissociation, lowering it to 0.20 eV, which facilitates subsequent hydrogenation reactions. The abundance of * H accelerates hydrogenation process, thereby enhancing the activity of NO 3 RR. This FLP design offers a promising approach for paving the way for the development of highly efficient NO 3 RR catalysts.
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