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Engineered Electron-Deficient Sites at Boron-Doped Strontium Titanate/Electrolyte Interfaces Accelerate the Electrocatalytic Reduction of N2 to NH3: A Combined DFT and Experimental Electrocatalysis Study

电催化剂 材料科学 钛酸锶 电解质 无机化学 兴奋剂 化学工程 还原(数学) 电化学 电极 纳米技术 物理化学 薄膜 光电子学 工程类 有机化学 物理 核物理学 化学 数学 几何学
作者
Paras Kalra,Madhu Samolia,Aejaz Ul Bashir,Vidya Avasare,Pravin P. Ingole
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (29): 37938-37951 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acsami.4c05487
摘要

The development of an efficient, selective, and durable catalysis system for the electrocatalytic N2 reduction reaction (ENRR) is a promising strategy for the sustainable production of ammonia. The high-performance ENRR is limited by two major challenges: poor adsorption of N2 over the catalyst surface and abysmal N2 solubility in aqueous electrolytes. Herein, with the help of our combined density functional theory (DFT) calculations and experimental electrocatalysis study, we demonstrate that concurrently induced electron-deficient Lewis acid sites in an electrocatalyst and in an electrolyte medium can significantly boost the ENRR performance. The DFT calculations, ex situ X-ray photoelectron and FTIR spectroscopy, electrochemical measurements, and N2-TPD (temperature-programmed desorption) over boron-doped strontium titanate (BSTO) samples reveal that the Lewis acid-base interactions of N2 synergistically enhance the adsorption and activation of N2. Besides, the B-dopant induces the defect sites (oxygen vacancies and Ti3+) that assist in enhanced N2 adsorption and results in suppressed hydrogen evolution due to B-induced electron-deficient sites for H+ adsorption. The insights from the DFT study evince that B prefers the Srtop position (on top of Sr) where N2 adsorbs in an end-on configuration, which favors the associative alternating pathway and suppresses the competitive hydrogen evolution. Thus, our combined experimental and DFT study demonstrates an insight toward enhancing the ENRR performance along with the suppressed hydrogen evolution via concurrently engineered electron-deficient sites at electrode and electrolyte interfaces.
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