Electrochemical Reduction of N2 to Ammonia Promoted by Hydrated Cation Ions: Mechanistic Insights from a Combined Computational and Experimental Study

化学 电化学 离子 还原(数学) 无机化学 计算化学 物理化学 电极 有机化学 几何学 数学
作者
Xin Mao,Xiaowan Bai,Guanzheng Wu,Qing Qin,Anthony P. O’Mullane,Yan Jiao,Aijun Du
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (27): 18743-18752 被引量:77
标识
DOI:10.1021/jacs.4c06629
摘要

Alkali ions, major components at the electrode–electrolyte interface, are crucial to modulating reaction activity and selectivity of catalyst materials. However, the underlying mechanism of how the alkali ions catalyze the N2 reduction reaction (NRR) into ammonia remains elusive, posing challenges for experimentalists to select appropriate electrolyte solutions. In this work, by employing a combined experimental and computational approach, we proposed four essential roles of cation ions at Fe electrodes for N2 fixation: (i) promoting NN bond cleavage; (ii) stabilizing NRR intermediates; (iii) suppressing the competing hydrogen evolution reaction (HER); and (iv) modulating the interfacial charge distribution at the electrode–electrolyte interface. For N2 adsorption on an Fe electrode with cation ions, our constrained ab initio molecular dynamic (c-AIMD) results demonstrate a barrierless process, while an extra 0.52 eV barrier requires to be overcome to adsorb N2 for the pure Fe-water interface. For the formation of *NNH species within the N2 reduction process, the calculated free energy barrier is 0.50 eV at the Li+-Fe-water interface. However, the calculated barrier reaches 0.81 eV in pure Fe-water interface. Furthermore, experiments demonstrate a high Faradaic efficiency for ammonia synthesis on a Li+-Fe-water interface, reaching 27.93% at a working potential of −0.3 V vs RHE and pH = 6.8. These results emphasize how alkali metal cations and local reaction environments on the electrode surface play crucial roles in influencing the kinetics of interfacial reactions.
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