Polynuclear Cobalt Cluster-Based Coordination Polymers for Efficient Nitrate-to-Ammonia Electroreduction

化学 硝酸盐 星团(航天器) 无机化学 配位聚合物 聚合物 有机化学 计算机科学 程序设计语言
作者
Miao Wang,Shufan Li,Yuming Gu,Wenjie Xu,Huaizhu Wang,Jingjie Sun,Shuangming Chen,Zuoxiu Tie,Jing‐Lin Zuo,Jing Ma,Jian Su,Zhong Jin
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (29): 20439-20448 被引量:81
标识
DOI:10.1021/jacs.4c06098
摘要

The electrocatalytic nitrate reduction reaction (NITRR) holds great promise for purifying wastewater and producing valuable ammonia (NH3). However, the lack of efficient electrocatalysts has impeded the achievement of highly selective NH3 synthesis from the NITRR. In this study, we report the design and synthesis of two polynuclear Co-cluster-based coordination polymers, {[Co2(TCPPDA)(H2O)5]·(H2O)9(DMF)} and {Co1.5(TCPPDA)[(CH3)2NH2]·(H2O)6(DMF)2} (namely, NJUZ-2 and NJUZ-3), which possess distinct coordination motifs with well-defined porosity, high-density catalytic sites, accessible mass transfer channels, and nanoconfined chemical environments. Benefitting from their intriguing multicore metal–organic coordination framework structures, NJUZ-2 and NJUZ-3 exhibit remarkable catalytic activities for the NITRR. At a potential of −0.8 V (vs. RHE) in an H-type cell, they achieve an optimal Faradaic efficiency of approximately 98.5% and high long-term durability for selective NH3 production. Furthermore, the electrocatalytic performance is well maintained even under strongly acidic conditions. When operated under an industrially relevant current density of 469.9 mA cm–2 in a flow cell, a high NH3 yield rate of up to 3370.6 mmol h–1 g–1cat. was observed at −0.5 V (vs. RHE), which is 20.1-fold higher than that obtained in H-type cells under the same conditions. Extensive experimental analyses, in combination with theoretical computations, reveal that the great enhancement of the NITRR activity is attributed to the preferential adsorption of NO3– and the reduction in energy input required for the hydrogenation of *NO3 and *NO2 intermediates.
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