Revealing and Optimizing the Dialectical Relationship Between NOR and OER: Cation Vacancy Engineering Enables RuO2 With Unanticipated High Electrochemical Nitrogen Oxidation Performance

析氧 电催化剂 材料科学 催化作用 法拉第效率 电化学 电解质 氮气 氧化还原 化学工程 无机化学 电极 化学 物理化学 冶金 有机化学 工程类
作者
Fanfan Xu,Xia Liu,Linlin Zhang,Mingxia Guo,Mingzhu Li,Xin Ding,Lixue Zhang
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:13 (22) 被引量:43
标识
DOI:10.1002/aenm.202300615
摘要

Abstract The electrochemical N 2 oxidation reaction (NOR) using water and atmospheric N 2 represents a sustainable approach to nitric acid production; while, the parasitic oxygen evolution reaction (OER) usually results in poor conversion selectivity of N 2 oxidation. Although the side‐reaction can be partially suppressed by using OER‐inactive catalysts or substrates, the optimized performance is usually obtained at the cost of low yield. Revealing the internal relationship between NOR and OER, providing an effective pathway to optimize the dialectical relationship between OER and NOR is desirable and of socio‐economic significance. Herein, RuO 2 , the well‐known OER electrocatalyst, is defectively engineered to enhance the cooperation rather than competition between NOR and OER; a Faradaic efficiency (FE) of 6.70% at 1.36 V and a maximum yield of 767.92 µg h −1 mg cat −1 at 1.44 V are obtained on D‐RuO 2 in acid electrolyte, superior to all the previously reported works. Experiments and DFT calculations suggest that the OER intermediates play a crucial role and the real rate‐determining step during nitrogen oxidation is the transition from *O to *OOH involved in the formation of *NN(OH). The outstanding NOR activity is ascribed to the enhanced stabilization of *OH and the promotion of OO bond breakage in the rate determining step of *NN(OH) formation.
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