New Insights into Electrochemical Ammonia Oxidation on Pt(100) from First Principles

脱氢 过电位 化学 电化学 密度泛函理论 催化作用 吸附 无机化学 电解质 化学工程 计算化学 物理化学 电极 有机化学 工程类
作者
Hemanth Somarajan Pillai,Hongliang Xin
出处
期刊:Industrial & Engineering Chemistry Research [American Chemical Society]
卷期号:58 (25): 10819-10828 被引量:100
标识
DOI:10.1021/acs.iecr.9b01471
摘要

The electrocatalytic ammonia oxidation reaction (AOR) to molecular dinitrogen (N2) is an essential component within a sustainable nitrogen cycle. The state-of-the-art Pt nanocatalyst, preferably terminated with (100) facets, suffers from a large overpotential (>0.5 V) and rapid deactivation, the origin of which remains largely unexplained due to the intrinsic complexity of solid-electrolyte interfaces. Within the framework of grand-canonical density functional theory (GC-DFT), we show that on Pt(100) the dehydrogenation of *NH2 is the potential determining step and that the *OH species, thermodynamically stable at >0.5 V vs RHE while overlooked in previous studies, plays an important role in kinetics by preferential stabilization of *NH via hydrogen bonding. Attributed to such favorable adsorbate–adsorbate interactions, *NH2 dehydrogenation is thermoneutral at 0.5 V vs RHE forming *NH species that can then dimerize easily at the 4-fold hollow sites, capturing the experimentally observed onset potential. At high operating potentials (>0.63 V vs RHE) where the *NH dehydrogenation to *N becomes thermodynamically feasible, surface deactivation occurs. However, the dimerization of *N with *N or *NH is kinetically facile, which suggests that the adsorbed *N is only the precursor to poisoning species, e.g., *NO, on Pt(100). The mechanistic insights obtained in this study could be exploited in new strategies of designing active, selective, and robust electrocatalysts for ammonia oxidation.
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