Selective electrochemical reduction of nitric oxide to hydroxylamine by atomically dispersed iron catalyst

羟胺 过电位 催化作用 法拉第效率 电催化剂 化学 电化学 铁质 无机化学 氧化物 氧化还原 材料科学 化学工程 电极 有机化学 物理化学 工程类
作者
Dong Hyun Kim,Stefan Ringe,Haesol Kim,Sejun Kim,Bupmo Kim,Geunsu Bae,Hyung‐Suk Oh,Frédéric Jaouen,Wooyul Kim,Hyungjun Kim,Chang Hyuck Choi
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:12 (1): 1856-1856 被引量:243
标识
DOI:10.1038/s41467-021-22147-7
摘要

Abstract Electrocatalytic conversion of nitrogen oxides to value-added chemicals is a promising strategy for mitigating the human-caused unbalance of the global nitrogen-cycle, but controlling product selectivity remains a great challenge. Here we show iron–nitrogen-doped carbon as an efficient and durable electrocatalyst for selective nitric oxide reduction into hydroxylamine. Using in operando spectroscopic techniques, the catalytic site is identified as isolated ferrous moieties, at which the rate for hydroxylamine production increases in a super-Nernstian way upon pH decrease. Computational multiscale modelling attributes the origin of unconventional pH dependence to the redox active (non-innocent) property of NO. This makes the rate-limiting NO adsorbate state more sensitive to surface charge which varies with the pH-dependent overpotential. Guided by these fundamental insights, we achieve a Faradaic efficiency of 71% and an unprecedented production rate of 215 μmol cm−2 h−1 at a short-circuit mode in a flow-type fuel cell without significant catalytic deactivation over 50 h operation.
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