Understanding the Synergy between Fe and Mo Sites in the Nitrate Reduction Reaction on a Bio‐Inspired Bimetallic MXene Electrocatalyst

双金属片 化学 还原(数学) 无机化学 硝酸盐 电催化剂 催化作用 电化学 材料科学 物理化学 有机化学 数学 几何学 电极
作者
Daniel F. Abbott,Yuan‐Zi Xu,Denis A. Kuznetsov,Priyank V. Kumar,Christoph R. Müller,Alexey Fedorov,Victor Mougel
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:62 (51): e202313746-e202313746 被引量:54
标识
DOI:10.1002/anie.202313746
摘要

Mo- and Fe-containing enzymes catalyze the reduction of nitrate and nitrite ions in nature. Inspired by this activity, we study here the nitrate reduction reaction (NO3 RR) catalyzed by an Fe-substituted two-dimensional molybdenum carbide of the MXene family, viz., Mo2 CTx : Fe (Tx are oxo, hydroxy and fluoro surface termination groups). Mo2 CTx : Fe contains isolated Fe sites in Mo positions of the host MXene (Mo2 CTx ) and features a Faradaic efficiency (FE) and an NH3 yield rate of 41 % and 3.2 μmol h-1 mg-1 , respectively, for the reduction of NO3 - to NH4 + in acidic media and 70 % and 12.9 μmol h-1 mg-1 in neutral media. Regardless of the media, Mo2 CTx : Fe outperforms monometallic Mo2 CTx owing to a more facile reductive defunctionalization of Tx groups, as evidenced by in situ X-ray absorption spectroscopy (Mo K-edge). After surface reduction, a Tx vacancy site binds a nitrate ion that subsequently fills the vacancy site with O* via oxygen transfer. Density function theory calculations provide further evidence that Fe sites promote the formation of surface O vacancies, which are identified as active sites and that function in NO3 RR in close analogy to the prevailing mechanism of the natural Mo-based nitrate reductase enzymes.
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