Bimetallic synergistic catalysts based on two-dimensional carbon-rich conjugated frameworks for nitrate electrocatalytic reduction to ammonia: catalyst screening and mechanism insights

双金属片 催化作用 材料科学 共轭体系 硝酸盐 碳纤维 还原(数学) 机制(生物学) 化学工程 无机化学 化学 有机化学 复合材料 复合数 聚合物 哲学 几何学 工程类 认识论 数学
作者
Fen‐Tair Luo,Liejin Guo
出处
期刊:Nanotechnology [IOP Publishing]
卷期号:35 (12): 125201-125201
标识
DOI:10.1088/1361-6528/ad1649
摘要

Abstract The discovery of the ‘two birds, one stone’ electrochemical nitrate reduction reaction (NO 3 RR) allows for the removal of harmful NO 3 − pollutants as well as the production of economically beneficial ammonia (NH 3 ). However, current understanding of the catalytic mechanism of NO 3 RR is not enough, and this research is still challenging. To determine the mechanism needed to create efficient electrocatalysts, we thoroughly examined the catalytic activity of molybdenum-based diatomic catalysts (DACs) anchored on two-dimensional carbon-rich conjugated frameworks (2D CCFs) for NO 3 RR. Among the 23 candidate materials, after a four-step screening method and detailed mechanism studies, we discovered that NO 3 RR can efficiently generate NH 3 by following the N-end pathway on the MoTi-Pc, MoMn-Pc, and MoNb-Pc, with limiting potential of −0.33 V, −0.13 V, and −0.38 V, respectively. The activity of NO 3 RR can be attributed to the synergistic effect of the TM 1 –TM 2 dimer d orbital coupling to the anti-bonding orbital of NO 3 − . Additionally, high hybridization between the Mo-4d, TM-3d(4d), and NO 3 − −2p orbitals on the MoTMs-Pc DACs can speed up the flow of electrons from the Mo-TM dual-site to NO 3 − . The research presented here paves the way for the reasonable design of effective NO 3 RR catalysts and offers a theoretical basis for experimental research.
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