Synergistic Multisites Fe2Mo6S8 Electrocatalysts for Ambient Nitrogen Conversion to Ammonia

催化作用 法拉第效率 电化学 氨生产 材料科学 氮气 制氢 化学工程 无机化学 可逆氢电极 电解质 化学 电极 物理化学 有机化学 工程类 参比电极
作者
Ke Lu,Fan Xia,Bomin Li,Yuzi Liu,Iddrisu B. Abdul Razak,Siyuan Gao,Jacob Kaelin,Dennis E. Brown,Yingwen Cheng
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (10): 16887-16895 被引量:45
标识
DOI:10.1021/acsnano.1c07771
摘要

Electrochemical hydrogenation of N2 under ambient conditions is attractive for sustainable and distributable NH3 production but is limited by the lack of selective electrocatalysts. Herein, we describe active site motifs based on the Chevrel phase chalcogenide Fe2Mo6S8 that exhibit intrinsic activities for converting N2 to NH3 in aqueous electrolytes. Despite having a very low specific surface area of ∼2 m2/g, this catalyst exhibited a Faradaic efficiency of 12.5% and an average rate of 70 μg h–1 mgcat–1 for NH3 production at −0.20 V vs RHE. Such activities were attributed to the unique composition and structure of Fe2Mo6S8 that provide synergistic multisites for activating and associating key reaction intermediates. Specifically, Fe/Mo sites assist adsorption and activation of N2, whereas S sites stabilize hydrogen intermediate Had* for N2 hydrogenation. Fe in Fe2Mo6S8 enhances binding of S with Had* and thus inhibits the competing hydrogen evolution reaction. The spatial geometry of Fe, Mo, and S sites in Fe2Mo6S8 promotes conversion of N2–Had* association intermediates, reaching a turnover frequency of ∼0.23 s–1 for NH3 production.
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