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Stabilization of Reactive Hydrogen Species via N–H Bonding on Fe 2 N for Efficient Electrochemical Hydrogenation

电化学 催化作用 法拉第效率 离解(化学) 空位缺陷 串联 氮气 材料科学 化学 无机化学 原位 光化学 电极 化学工程 制氢 可逆氢电极 氧化还原 反应机理 分解水 桥接(联网)
作者
Kaifeng Wang,Xinyu Li,Xinhui Xu,Ran Mao,Juanjuan Zhang,Xu Zhao,Jingfu Liu,Sijin Liu,Qian Liu,Guibin Jiang,Rui Liu,Kaifeng Wang,Xinyu Li,Xinhui Xu,Ran Mao,Juanjuan Zhang,Xu Zhao,Jingfu Liu,Sijin Liu,Qian Liu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:: e22580-e22580
标识
DOI:10.1002/anie.202522580
摘要

Abstract Electrochemical hydrogenation utilizing reactive hydrogen (H*) derived from water dissociation offers a sustainable route for chemical synthesis and environmental remediation. However, besides the sluggish generation of H*, its utilization efficiency, and consequently the overall electrochemical hydrogenation performance, is limited by competing hydrogen evolution and barrier interfacial H* transfer. Here, using combined theoretical and in situ spectroscopic–electrochemical analyses, we demonstrate that nitrogen vacancy (N V )‐rich Fe 2 N surfaces serve as highly efficient catalytic sites for generating and stabilizing H* for subsequent reactions. During water dissociation, the resulting OH species adopt a bridging μ 2 ‐configuration between adjacent Fe atoms and undergo facile desorption, overcoming a known rate‐limiting step. Simultaneously, H* is stabilized at nitrogen sites in the form of N‐H moieties with high recombination energy barriers, creating an effective H* reservoir. This mechanism guides the application of Fe 2 N‐N V as a simple yet highly active catalyst for nitrate reduction, achieving over 94% Faradaic efficiency and NH 3 selectivity. Furthermore, the accumulated H* on Fe 2 N‐N V enables tandem hydrogenation with cocatalysts such as cobalt ensembles (Co n ), extending its utility to coupled electrochemical hydrogenation.
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