An Electrochemical Approach for Designing Thermochemical Bimetallic Nitrate Hydrogenation Catalysts

双金属片 催化作用 化学 电化学 反应性(心理学) 无机化学 硝酸盐 背景(考古学) 有机化学 物理化学 电极 医学 生物 病理 古生物学 替代医学
作者
Kunal M. Lodaya,Bryan Y. Tang,Ryan P. Bisbey,Sophia Weng,Karl S. Westendorff,Wei Lun Toh,Jaeyune Ryu,Yuriy Román‐Leshkov,Yogesh Surendranath
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2023-wk26v
摘要

Bimetallic alloy catalysts can achieve a diverse range of reactivity inaccessible to pure metals. Classically, catalytic promotion in alloy catalysts has been ascribed to atomic scale cooperativity between the metal constituents. For catalytic reactions that could involve charge transfer to solution, electron flow across a conductive support can be coupled to ionic flow through solution to permit, in principle, bimetallic promotion even in the complete absence of atomic level connectivity between metal constituents. We examine this hypothesis in the context of nitrate hydrogenation, a reaction that is catalyzed almost exclusively by bimetallic catalysts. Using the state-of-the-art PdCu/C catalyst, we show that the overall nitrate hydrogenation reaction proceeds via the electrochemical coupling of the hydrogen oxidation and nitrate reduction half-reactions. Studies of each metal in isolation reveal that Pd exclusively catalyzes the former, while Cu exclusively catalyzes the latter. These findings suggest that nitrate hydrogenation on PdCu alloys proceeds via galvanic coupling of complementary half-reactions on Pd and Cu, obviating the need for atomic scale cooperativity. Based on this mechanistic insight, we design two new nitrate hydrogenation catalysts, RuCu and RuAg, that operate via the same principle with comparable activity to PdCu. This work enables new strategies for the design of bimetallic catalysis for thermochemical transformations, by pairing metals with disparate electrochemical reactivity.
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