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Electrocatalytic Reduction of Dinitrogen to Ammonia with Water as Proton and Electron Donor Catalyzed by a Combination of a Tri-ironoxotungstate and an Alkali Metal Cation

化学 无机化学 催化作用 氧化还原 电化学 碱金属 电解 本体电解 氨 选择性催化还原 电解质 有机化学 电极 循环伏安法 物理化学
作者
Avra Tzaguy,Albert Masip‐Sánchez,Liat Avram,Albert Solé‐Daura,Xavier López,Josep M. Poblet,Ronny Neumann
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (36): 19912-19924 被引量:22
标识
DOI:10.1021/jacs.3c06167
摘要

The electrification of ammonia synthesis is a key target for its decentralization and lowering impact on atmospheric CO2 concentrations. The lithium metal electrochemical reduction of nitrogen to ammonia using alcohols as proton/electron donors is an important advance, but requires rather negative potentials, and anhydrous conditions. Organometallic electrocatalysts using redox mediators have also been reported. Water as a proton and electron donor has not been demonstrated in these reactions. Here a N2 to NH3 electrocatalytic reduction using an inorganic molecular catalyst, a tri-iron substituted polyoxotungstate, {SiFe3W9}, is presented. The catalyst requires the presence of Li+ or Na+ cations as promoters through their binding to {SiFe3W9}. Experimental NMR, CV and UV-vis measurements, and MD simulations and DFT calculations show that the alkali metal cation enables the decrease of the redox potential of {SiFe3W9} allowing the activation of N2. Controlled potential electrolysis with highly purified 14N2 and 15N2 ruled out formation of NH3 from contaminants. Importantly, using Na+ cations and polyethylene glycol as solvent, the anodic oxidation of water can be used as a proton and electron donor for the formation of NH3. In an undivided cell electrolyzer under 1 bar N2, rates of NH3 formation of 1.15 nmol sec-1 cm-2, faradaic efficiencies of ∼25%, 5.1 equiv of NH3 per equivalent of {SiFe3W9} in 10 h, and a TOF of 64 s-1 were obtained. The future development of suitable high surface area cathodes and well solubilized N2 and the use of H2O as the reducing agent are important keys to the future deployment of an electrocatalytic ammonia synthesis.
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