Asymmetrical π back-donation of hetero-dicationic Mo4+-Mo6+ pairs for enhanced electrochemical nitrogen reduction

催化作用 电催化剂 电化学 化学 氧化还原 过渡金属 化学吸附 氮气 密度泛函理论 无机化学 材料科学 物理化学 计算化学 有机化学 电极
作者
Hao Tan,Qianqian Ji,Chao Wang,Hengli Duan,Yuan Kong,Yao Wang,Sihua Feng,Liyang Lv,Fengchun Hu,Wenhua Zhang,Wangsheng Chu,Zhihu Sun,Wensheng Yan
出处
期刊:Nano Research [Springer Nature]
卷期号:15 (4): 3010-3016 被引量:47
标识
DOI:10.1007/s12274-021-3934-6
摘要

The breaking of nonpolar N≡N bond of dinitrogen is the biggest dilemma for electrocatalytic nitrogen reduction reaction (NRR) application, driving electron migration between catalysts and N≡N bond (termed “π back-donation” process) is crucial for attenuating interfacial energy barrier but still remains challenging. Herein, using density functional theory calculations, we revealed that constructing a unique hetero-dicationic Mo4+-Mo6+ pair could effectively activate N≡N bond with a lying-down chemisorption configuration by an asymmetrical “π back-donation” process. As a proof-of-concept demonstration, we synthesized MoO2@MoO3 heterostructure with double Mo sites (Mo4+-Mo6+), which are embedded in graphite, for electrochemical nitrogen reduction. Impressively, this hetero-dicationic Mo4+-Mo6+ pair catalysts display more excellent catalytic performance with a high NH3 yield (60.9 µg·h−1·mg−1) and Faradic efficiency (23.8%) as NRR catalysts under ambient conditions than pristine MoO2 and MoO3. Operando characterizations using synchrotron-based spectroscopic techniques identified the emergence of a key ⋆N2Hy intermediate on Mo sites during NRR, which indicates that the Mo sites are active sites and the NRR process tends to follow an associative mechanism. This novel type of hetero-dicationic catalyst has tremendous potential as a new class of transition metal-based catalysts with promising applications in electrocatalysis and catalysts for energy conversion and storage.
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