A Spectroscopically Observed Iron Nitrosyl Intermediate in the Reduction of Nitrate by a Surface-Conjugated Electrocatalyst

化学 电催化剂 无机化学 水溶液 共轭体系 亚硝酸盐 氯化物 离子 电极电位 电化学 电极 硝酸盐 物理化学 有机化学 聚合物
作者
Moumita Ghosh,Sarah E. Braley,Roman Ezhov,Harrison Worster,Juan A. Valdez-Moreira,Yaroslav Losovyj,Elena Jakubı́ková,Yulia Pushkar,Jeremy M. Smith
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (39): 17824-17831 被引量:29
标识
DOI:10.1021/jacs.2c03487
摘要

We report an iron-based graphite-conjugated electrocatalyst (GCC-FeDIM) that combines the well-defined nature of homogeneous molecular electrocatalysts with the robustness of a heterogeneous electrode. A suite of spectroscopic methods, supported by the results of DFT calculations, reveals that the electrode surface is functionalized by high spin (S = 5/2) Fe(III) ions in an FeN4Cl2 coordination environment. The chloride ions are hydrolyzed in aqueous solution, with the resulting cyclic voltammogram revealing a Gaussian-shaped wave assigned to 1H+/1e- reduction of surface Fe(III)–OH surface. A catalytic wave is observed in the presence of NO3–, with an onset potential of −1.1 V vs SCE. At pH 6.0, GCC-FeDIM rapidly reduces NO3– to ammonium and nitrite with 88 and 6% Faradaic efficiency, respectively. Mechanistic studies, including in situ X-ray absorption spectroscopy, suggest that electrocatalytic NO3– reduction involves an iron nitrosyl intermediate. The Fe–N bond length (1.65 Å) is similar to that observed in {Fe(NO)}6 complexes, which is supported by the results of DFT calculations.
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