Swinging Hydrogen Evolution to Nitrate Reduction Activity in Molybdenum Carbide by Ruthenium Doping

除氧 无机化学 催化作用 法拉第效率 电化学 化学 光化学 有机化学 电极 物理化学
作者
Ouwen Peng,Qikun Hu,Xin Zhou,Rongrong Zhang,Yonghua Du,Minzhang Li,Lu Ma,Shibo Xi,Wei Fu,Zong‐Xiang Xu,Chun Cheng,Zhongxin Chen,Kian Ping Loh
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (24): 15045-15055 被引量:61
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c04584
摘要

A common challenge for electrochemical ammonia synthesis in an aqueous phase is the consumption of Faradaic charge by the competing hydrogen evolution reaction (HER), which reduces the Faradaic efficiency for the desired conversion, i.e., the nitrate reduction reaction (NO3RR) to ammonium. This problem is particularly severe when a single-phase catalyst is operated at high current limits, thus a cocatalyst system that works synergistically for hydrogen acquisition and deoxygenation is needed to promote NO3RR over HER. Herein, we select a well-known HER catalyst Mo2C and investigate how metal doping can switch its kinetics from HER-dominated to NO3RR-dominated pathways. At 3.8 wt % Ru doping of Mo2C, a 75% single pass conversion of nitrate (0.1 M) to ammonium in a 16 cm2 flow electrolyzer was achieved, corresponding to an ammonium yield rate of 9.07 mmol h–1 at a full cell voltage of 2 V. As confirmed by DFT calculations and kinetic isotope experiments, ruthenium dopants in the matrix serve as the sink point for adsorbed hydrogen during NO3RR to promote the cooperative deoxygenation of *NO3 and *NO2 on the Ru–Mo cocatalytic site. Our study suggests that optimizing hydrogen acquisition and deoxygenation reactions in cocatalytic systems is an effective strategy for electrochemical synthesis.
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