Rapid Aqueous Ammonia Oxidation to N2 Using a Molecular Ru Electrocatalyst

催化作用 水溶液 电催化剂 化学 法拉第效率 无机化学 氧化物 乙腈 化学工程 电化学 有机化学 电极 物理化学 工程类
作者
Samuel I. Jacob,Arunavo Chakraborty,Ali Chamas,R. Darrell Bock,Lior Sepunaru,Gabriel Ménard
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:8 (9): 3760-3766 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.3c01133
摘要

The storage of renewable energy in ammonia (NH3) is a promising alternative to hydrogen (H2) for our transition from fossil fuels. Solid oxide fuel cells (SOFCs) are the leading technology for direct ammonia fuel cells (DAFCs); however, their high temperature of operation makes them unsuitable for light-duty vehicles. As such, there has been growing interest in aqueous-fed DAFCs. Such technologies face challenges with respect to reaction selectivity, precious metal catalyst loading, and stability; however, there is a dearth of reported molecular catalysts to address such issues. Ruthenium bipyridinedicarboxylate complexes are known for catalyzing water oxidation at rapid rates and were recently reported to catalyze the oxidation of ammonia, i.e., nitrogen evolution reaction (NER) in acetonitrile, albeit at sluggish rates. Herein, we present our use of the known complex [Ru(bipyridinedicarboxylate)(4-methylpyridine)2] (RuBda, 1) to electrocatalyze ammonia oxidation of aqueous NH3 to N2 at high faradaic efficiencies (>80%), unprecedented rates (turnover frequency ≈ 3757 s–1), and high turnover. Our kinetic analyses suggest that the catalyst operates via a unimolecular mechanism, which is highly applicable for commercially viable fuel cells.
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