New Mechanistic Insights into Electrokinetic Competition Between Nitrogen Reduction and Hydrogen Evolution Reactions

材料科学 电化学 催化作用 吸附 可逆氢电极 电解质 动力学 电极 纳米技术 化学工程 物理化学 有机化学 工作电极 化学 工程类 物理 量子力学
作者
Lin Jiang,Xiaowan Bai,Xing Zhi,Yan Jiao
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:14 (28) 被引量:7
标识
DOI:10.1002/aenm.202303809
摘要

Abstract Achieving both high activity and selectivity presents a significant challenge for electrochemical N 2 reduction (eNRR) due to the competing hydrogen evolution reaction (HER). Although density functional theory‐based computations can identify eNRR‐favored electrocatalysts, there is a significant gap between theoretical predictions and experimental observations. In this work, a comprehensive analysis of the kinetic competition between eNRR and HER at the electrode‐electrolyte interface (EEI) from three perspectives: kinetic N 2 adsorption, *N 2 hydrogenation, and corresponding potential‐dependent kinetics is presented. This data reveals that N 2 adsorption at EEI is kinetically facile. Upon *N 2 adsorption, the subsequent hydrogenation is influenced by electrode potentials. At lower overpotentials, *N 2 hydrogenation is more facile than HER. However, at higher overpotentials, eNRR becomes kinetically disadvantaged due to limited N 2 availability at the EEI, while HER kinetics accelerate and eventually dominate. Therefore, the electrochemical eNRR potential window for different catalysts is identified. A compelling evidence is presented that enhancing N 2 concentration near the EEI is the key to improving eNRR activity. These findings offer critical fundamental insights for future strategies aimed at making green ammonia synthesis more efficient.
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