Rational Design of Conductive MOF-Based Diatomic Electrocatalysts for Selective Ammonia Synthesis

化学 双原子分子 催化作用 合理设计 电催化剂 组合化学 选择性 氮氧化物 纳米技术 电化学 物理化学 分子 有机化学 电极 材料科学 燃烧
作者
Qinglin Li,Chunmei Jia,Q.G. Wang,Xiangyang Guo,Kun Qi,Jinfeng Liu,Wenjun Fan,Lin Luo,Jiangnan Li,Jun Long,Jianping Xiao,Fuxiang Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (43): 39430-39439
标识
DOI:10.1021/jacs.5c11655
摘要

Diatomic catalysts (DACs) have recently attracted emerging attention beyond single-atom catalysts (SACs) in achieving targeted catalytic performance, yet their rational design and synthesis remain challenging. Here, we demonstrate the feasibility of designing DACs for highly selective ammonia synthesis from nitrate by developing a water-stable conductive metal-organic framework (cMOF) with a tunable Cu and Ni node (CuxNiy-DBCO) used as a platform catalyst. The well-defined diatomic structure of the cMOFs and adjustable metal components enable systematic identification of active diatomic species and elucidation of the underlying nitrate reduction mechanism. Based on this understanding, we successfully design and synthesize a targeted DACs catalyst (Cu98.5Ni1.5-DBCO) to exhibit unit of selectivity accompanied with ammonia yields of over 200 mg h-1 mgcat-1 (3.5 mmol h-1 cm-2) at a current density of >750 mA cm-2. A Zn-NO3- battery incorporating this optimized DACs as the cathode delivers a power density of 35.6 mW cm-2, highlighting the potential of conductive MOFs in developing target DACs for industrial electrocatalysis.
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