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Tandem electrocatalytic N2 fixation via proton-coupled electron transfer

电子转移 串联 电催化剂 催化作用 电化学 化学 质子耦合电子转移 选择性 组合化学 纳米技术 光化学 电极 材料科学 物理化学 有机化学 复合材料
作者
Pablo Garrido‐Barros,Joseph Derosa,Matthew J. Chalkley,Jonas C. Peters
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:609 (7925): 71-76 被引量:238
标识
DOI:10.1038/s41586-022-05011-6
摘要

New electrochemical ammonia (NH3) synthesis technologies are of interest as a complementary route to the Haber-Bosch process for distributed fertilizer generation, and towards exploiting ammonia as a zero-carbon fuel produced via renewably sourced electricity1. Apropos of these goals is a surge of fundamental research targeting heterogeneous materials as electrocatalysts for the nitrogen reduction reaction (N2RR)2. These systems generally suffer from poor stability and NH3 selectivity; the hydrogen evolution reaction (HER) outcompetes N2RR3. Molecular catalyst systems can be exquisitely tuned and offer an alternative strategy4, but progress has been thwarted by the same selectivity issue; HER dominates. Here we describe a tandem catalysis strategy that offers a solution to this puzzle. A molecular complex that can mediate an N2 reduction cycle is partnered with a co-catalyst that interfaces the electrode and an acid to mediate proton-coupled electron transfer steps, facilitating N-H bond formation at a favourable applied potential (-1.2 V versus Fc+/0) and overall thermodynamic efficiency. Certain intermediates of the N2RR cycle would be otherwise unreactive via uncoupled electron transfer or proton transfer steps. Structurally diverse complexes of several metals (W, Mo, Os, Fe) also mediate N2RR electrocatalysis at the same potential in the presence of the mediator, pointing to the generality of this tandem approach.
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