Unraveling the Performance Descriptors for Designing Single‐Atom Catalysts on Defective MXenes for Exclusive Nitrate‐To‐Ammonia Electrocatalytic Upcycling

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作者
Xutao Gao,Edmund C. M. Tse
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:20 (11): e2306311-e2306311 被引量:39
标识
DOI:10.1002/smll.202306311
摘要

Electrocatalytic nitrate reduction reaction (NO3 RR) is a promising approach for converting nitrate into environmentally benign or even value-added products such as ammonia (NH3 ) using renewable electricity. However, the poor understanding of the catalytic mechanism on metal-based surface catalysts hinders the development of high-performance NO3 RR catalysts. In this study, the NO3 RR mechanism of single-atom catalysts (SACs) is systematically explored by constructing single transition metal atoms supported on MXene with oxygen vacancies (Ov -MXene) using density functional theory (DFT) calculations. The results indicate that Ag/Ov -MXene (for precious metal) and Cu/Ov -MXene (for non-precious metal) are highly efficient SACs for NO3 RR toward NH3 , with low limiting potentials of -0.24 and -0.34 V, respectively. Furthermore, these catalysts show excellent selectivity toward ammonia due to the high energy barriers associated to the formation of byproducts such as NO2 , NO, N2 O, and N2 on Ag/Ov -MXene and Cu/Ov -MXene, effectively suppressing the competitive hydrogen evolution reaction (HER). The findings not only offer new strategies for promoting NH3 production by MXene-based SACs electrocatalysts under ambient conditions but also provide insights for the development of next-generation NO3 RR electrocatalysts.
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