Breaking Local Charge Symmetry of Iron Single Atoms for Efficient Electrocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia

催化作用 法拉第效率 过电位 化学 无机化学 氨生产 电催化剂 电化学 物理化学 电极 生物化学
作者
Jingwen Xu,Shengbo Zhang,Hengjie Liu,Shuang Liu,Yuan Yuan,Yahan Meng,Mingming Wang,Chunyue Shen,Qia Peng,Jinghao Chen,Xiaoyang Wang,Li Song,Ke Li,Wei Chen
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:62 (39) 被引量:151
标识
DOI:10.1002/anie.202308044
摘要

The electrochemical conversion of nitrate pollutants into value-added ammonia is a feasible way to achieve artificial nitrogen cycle. However, the development of electrocatalytic nitrate-to-ammonia reduction reaction (NO3- RR) has been hampered by high overpotential and low Faradaic efficiency. Here we develop an iron single-atom catalyst coordinated with nitrogen and phosphorus on hollow carbon polyhedron (denoted as Fe-N/P-C) as a NO3- RR electrocatalyst. Owing to the tuning effect of phosphorus atoms on breaking local charge symmetry of the single-Fe-atom catalyst, it facilitates the adsorption of nitrate ions and enrichment of some key reaction intermediates during the NO3- RR process. The Fe-N/P-C catalyst exhibits 90.3 % ammonia Faradaic efficiency with a yield rate of 17980 μg h-1 mgcat-1 , greatly outperforming the reported Fe-based catalysts. Furthermore, operando SR-FTIR spectroscopy measurements reveal the reaction pathway based on key intermediates observed under different applied potentials and reaction durations. Density functional theory calculations demonstrate that the optimized free energy of NO3- RR intermediates is ascribed to the asymmetric atomic interface configuration, which achieves the optimal electron density distribution. This work demonstrates the critical role of atomic-level precision modulation by heteroatom doping for the NO3- RR, providing an effective strategy for improving the catalytic performance of single atom catalysts in different electrochemical reactions.
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